船体结构件中常见焊缝优化研究_赵浩东.pdf

第 31 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.31 No.2Feb.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言一般而言，焊缝主要指的是工件在焊接过后所形成的结合部分，控制好船舶生产与建造工程中的结构件焊缝布置工作，一方面能够有效提升船体结构质量，另一方面还能有效缩短焊接工序用时，使造船成本得到有效控制。相关技术人员应采取有效措施和手段对船舶结构焊缝布置工作进行针对性优化，确保船体结构质量安全，以推进我国船舶工业的持续健康发展。1 船体结构件焊接的基本原则与要求1.1 位置对称原则在针对船体结构件进行焊接的过程中，确保焊缝位置对称是生产技术人员需要遵循的首要原则。目前的船体结构件大多以热轧钢作为主要生产材料，而热轧钢在进行焊接时可能会受到应力、热量等因素影响产生严重的变形现象。因此，在进行结构件焊缝布置时，设计人员应尽可能确保结构件焊缝位置相互对称。1.2 材料利用率原则在一些造船项目当中，设计人员以及生产人员忽视了结构材料利用率的重要性，焊缝设计较为随意，导致船体结构钢材利用率较为低下，一方面可能会影响船舶的生产成本，另一方面还会对船厂周边环境造成一定的负面影响。因此，在进行焊缝布置之前，设计技术人员应采取更具针对性的手段和措施对钢材利用情况进行合理计算，综合考量钢材生产损耗、焊接变形收缩等状态船体结构件中常见焊缝优化研究赵浩东（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 无锡 214400）摘 要：作为直接影响船舶结构强度的关键因素之一，如何优化船体结构件焊接技术水平、提升焊缝布置质量成为船舶工业技术人员关注的焦点问题。本文以船体结构件焊接的基本原则与要求作为切入点，分析了目前船体结构件焊缝布置工作所面临的主要问题，并从角度控制、距离调节、开孔位置变化、避免焊缝集中、提升结构强度、保障零件尺寸适宜以及降低焊缝长度等方面阐述了优化结构件焊缝布置成效的主要措施，供相关人员参考。关键词：船体结构；焊缝布置；优化设计中图分类号：U671.8 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.02.020引用格式 赵浩东.船体结构件中常见焊缝优化研究 J.船舶物资与市场,2023,31(2):61-63.收稿日期：2022-10-25作者简介：赵浩东（1988-），男，本科，工程师，研究方向为船舶与海洋结构设计制造。参数，使船舶生产成本控制工作得以有效落实1。1.3 保障强度原则由于船体结构需要分别抵御其承载负荷以及水中浮力带来的变形或破坏，因此在结构件焊缝布置过程中需要确保其强度符合预期要求。技术人员应确保焊缝布置符合船舶焊接检验要求。1.4 利于加工原则在船体生产过程中，船体结构件形态较为复杂，加工存在一定难度。因此在进行焊缝布置的过程中，技术人员还应考虑到后续加工与维护工作的便利程度，在图纸设计过程中为后续加工留出空间，从而进一步提升船体结构复杂工件的生产与制造效率。1.5 区域性一致原则结构件焊接工作，是需要技术人员采用加热、加压等手段将不同区域的工件结合在一起，确保其形态符合预期工业生产要求的一种生产技术手段，因此在针对工件不同区域进行焊缝布置与设定的过程中，技术人员应尽可能遵循区域性一致原则，优化船体结构件受力状态，尽可能确保结构件受力平衡，避免因焊缝位置设计不统一导致结构件受力不均匀，从而产生影响整体结构强度的情况。1.6 形态美观原则一些结构件焊接过程中受到焊接操作、焊缝位置等因素的影响，可能会在焊缝周边出现飞溅、毛刺等现象，熔斑表面较为粗糙，影响船舶外观。另外，一些焊接项目在进行焊缝布设的过程中未能考虑到焊缝与甲板边线船舶物资与市场第 31 卷 第 2 期 62 之间所形成的夹角，二者之间未能形成平直的位置关系，导致结构件焊接形态美观程度较差，进而影响船舶制造工程的进一步开展。2 目前船体结构件焊缝布置面临的主要问题2.1 焊缝与结构件交错一些船体结构件与焊缝之间形成交错，导致结构整体强度不断下降。为了符合船体结构生产建造的相关要求，在设计过程中往往采用纵向式的焊缝布置思路，而在实际操作过程中，很多技术人员未能考虑到焊缝对结构强度的影响，出现焊缝与结构件交错的情况，且交错角度较小，甚至出现焊缝与结构边线相重叠的情况，对船体结构强度造成了一定的冲击和负面影响2。2.2 角焊缝与对接缝过于接近在针对船体结构进行焊接与建造之前，技术人员应通读CCS 钢质海船入级规范，且尽可能落实规范当中对于海船结构件焊接工程中焊缝布置与设计工作的要求。但在一些海船建设以及结构件焊接项目中，对于角焊缝以及对接缝的位置部署不够完善与协调，对后续的焊缝检验工作造成了一定影响。在海船结构件建造和生产过程当中，角焊缝一般是指结构边沿相互搭接或在 T字形连接焊件当中形成的焊缝，对接缝是指海船结构件坡口面之间形成的焊缝，以上是钢制结构件相互焊接过程当中所形成的 2 种主要焊接技术手段。CCS 钢质海船入级规范相关条款明确指出，船体结构件角焊缝与对接缝之间的距离应控制在 50 mm 以上，但部分焊接项目平行焊缝之间的距离未经过优化设计与调整，双方距离小于 50 mm，在船体的长期运行和使用过程当中可能会出现金属疲劳等情况，使焊缝部位的船体结构强度大幅度下降。2.3 焊缝布置临近船体开孔为了满足一些海船的特定用途，以及实现对船内相关空间的有效利用，一些船体结构可能会开孔，但在一些钢制海船船体结构的建造与加工过程中，设计人员将焊缝布置在临近船体开孔的部位，且未能针对结构设计进行及时调整，导致开孔部位的结构强度难以满足海船运行过程中的实际需要，给船体结构安全带来了一定的风险。2.4 焊缝布置过于集中一些钢制海船建造项目中的焊缝布置过于集中，在单位面积内的焊缝密度超出预期规范要求，一方面会使焊接结构件出现应力集中现象，使得金属结构件塑性不断降低，容易出现金属疲劳情况，另一方面还会影响船体结构件的焊接效率，使船体结构生产建造成本不断提升。2.5 焊缝布置不利于施工在船体结构建造和生产过程中，由于其内部空间较为有限，因此需要从更加宏观的角度进行分析和考量，使得后续海船内部的施工、维护与管理工作具备更加充足的空间，确保后续结构施工建造效率与质量。但在一些项目的焊缝布置与设计过程中，未能给后续施工预留出相应的空间，使船体结构建造工作的持续性开展陷入困境，后续建造工作的效率不断下降。2.6 存在直角焊缝情况一些船体建造项目在进行结构件焊接的过程中，受到目标焊接件形态特点以及焊接要求的影响，采用直角焊接的形式，未能采用圆弧以及丁字缝进行有效过渡，使得结构件之间的连接强度不断下滑，容易在焊接部位出现开裂、折断等问题，影响钢制海船的安全运行。3 优化焊缝布置策略的主要措施3.1 控制好焊缝与构件之间的角度技术人员应针对焊缝与船体结构件之间的角度进行优化设计，尽量避免焊缝交错或重叠情况的产生，从而有效规避结构强度风险以及焊接美观度风险。在进行结构焊缝布置与设计的过程中，应遵循以下原则。1）应杜绝与水密构件出现交叉，在钢制海船结构件建造与焊接过程中，常见的结构件类型主要包括水密构件以及非水密构件，其中水密构件主要包括水密横舱壁、双层底、双底壳、水密门窗、水密舱盖等，这些构件对强度及其密闭性具有较高的要求，因此需要避免出现焊缝直接交叉的情况。2）应控制好与非水密构件之间的交叉角度。设计人员在进行焊缝布置与设计过程中，应将焊缝与非水密构件之间的夹角设计在 20 以上，避免在长期使用过程中导致船体结构件出现变形现象影响船体结构强度。3.2 优化角焊缝与对接缝距离在船体结构件焊接过程中，可能会应用到角焊缝与对接缝 2 种类型，应结合船体结构件强度性能要求以及结构部位特征对角焊缝与对接缝之间的距离进行优化调整和控制，使船体结构件焊接强度得到更加显著地提升。例如，在针对 2 条平行焊缝之间距离进行设计和控制的过程中，应确保其焊缝距离大于 50 mm，进而更加有效地提升船体结构件之间的焊接强度以及焊接性能，避免长期运行和应用过程中因焊接件疲劳出现开裂或折断等现象3。3.3 针对性调节焊缝与船体开孔位置一些船体结构件的焊缝设计与船体功能性开孔几乎第 2 期 63 相切，严重影响了结构件整体强度，难以有效通过强度检验和测试，同时还可能会对船体运行造成一定的安全风险与隐患。在进行焊缝布置和设计前，技术人员应统筹分析船体内部开孔位置与开孔需求，并在焊缝设计过程中为船体结构开孔预留出相应的空间，使船体功能性开孔与船体结构件焊缝之间的距离得到更加有效地控制和调节，确保二者之间的距离大于 50 mm，减少焊接过程中对于周边环境产生的热影响，同时还能确保整体结构强度达到规范要求。3.4 避免焊缝过于集中船体结构焊接过程中，焊缝集中容易引起结构应力集中的现象，进而导致金属结构疲劳甚至出现缺口、开裂等严重危害。因此在进行焊缝布置与设计过程中，技术人员同样也应当做好对焊缝距离的管控与优化工作，在船体结构焊接部位加设相应的过渡阶段，保持焊缝之间的特定距离，减少不同类型船体结构焊接过程中的互相影响，使最终呈现出的焊接结构强度更高，为满足钢制海船的运行要求提供相应的支持和动力。3.5 优化因板厚差造成的强度问题为了适应钢制海船在复杂海洋环境中的运行要求，在船体结构件设计和建造过程中，需要应用到薄厚不同的板材，而如何将这些存在厚度差的板材进行有效拼接并确保板材拼接强度，已成为技术人员亟待解决的关键性问题。在传统的船体结构焊接与生产过程中，往往忽视了板厚差对于焊接强度的影响，一方面，可能会使薄头结构部位出现空隙，不得不进行堆焊强化，影响焊接加工效率与速度；另一方面，影响结构件焊接强度，在焊接过程中的大量热加工环节还可能会使结构件金属特性遭到破坏和影响，使整体结构强度不符合钢制海船运行标准。因此，在对存在板厚差的板材进行焊接过程中，应注意调整焊缝位置，减少在厚度阶梯部位进行焊接的可能，将焊缝布设在高度更加平缓的板材表面，从而进一步提升结构件焊接强度以及焊接质量，避免出现堆焊现象。另外，针对板厚差不明显的位置进行结构件焊接的过程中，应当控制好结构焊缝与包角焊缝之间的距离，从而使焊接过程中产生的金相组织恶化现象得到充分改善，使焊缝布置更加科学合理。3.6 保障散装零件尺寸为了进一步满足钢制海船功能性要求，在海船内部可能会存在一些散装零件，技术人员需要在确保零件功能得到有效发挥和展现的同时强化零件焊接强度，因此，为了有效减少焊接过程中热循环作用对于零件型材组织性能产生的影响，应针对散装零件的尺寸和大小进行合理调节和控制。一般而言，应确保焊接零件的长、宽大于 50 mm，从而使船体内部散装结构件宽度能够适应焊接工作要求，避免出现强度问题影响焊接质量以及零件功能的发挥。在结构件焊接工作正式开始之前，焊接技术人员应与散装零件供应商进行更加细致深入地沟通，并基于钢制海船结构零件焊接特点与质量要求对散装零件供应尺寸进行协调，制订出一套较为可行和完善的钢制海船散装零件生产尺寸规范并予以有效落实，使散装零件的生产和供应尺寸得以全面统一。3.7 尽可能降低焊缝长度钢制海船结构件需要适应外载荷的受力影响，因此在进行焊缝布置和设计的过程中，应结合实际降低焊缝长度，使结构件焊缝部位达成受力平衡，避免出现结构件变形的现象。此外，通过降低结构件焊缝长度还能使结构件钢材的利用率得到显著提升和强化。技术人员在进行焊缝设计与布置工作之前，需要综合考量结构件焊接要求，分析焊接结构件母材特点及其厚度参数，从而选定更加合理科学的焊缝布置长度，一方面确保结构件焊接质量与焊接水平，另一方面还能有效避免应力导致的结构件变形情况出现，为实现钢制海船结构件焊接目标提供相应的支持。4 结语在当前钢制海船建造与生产过程中，焊接工艺扮演着至关重要的角色。焊接质量不仅能够有效延长海船运行寿命，还能使焊接成本与焊接效率得到显著优化。应基于当前船体结构件焊接过程当中出现的各项问题进行深入分析，并有针对性地提出相关解决措施和方案，使海船建造生产过程中的焊缝布置工作更加合理，促进造船工业