船舶焊接重量控制的研究與應(yīng)用

李鵬 楊亮 馮朝聞 張愛兵

1. 概述

船舶焊接技術(shù)是船舶工業(yè)的主要關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，焊接形式主要分為對(duì)接和角接，按焊縫構(gòu)造不同，可分為對(duì)接焊縫和角焊縫。

對(duì)接焊縫主要采用自動(dòng)化、半自動(dòng)化設(shè)備焊接，一般焊接質(zhì)量較好，成形美觀，焊縫余高控制較好，焊接余量較小。僅在曲型分段制作及合攏時(shí)由于無法使用自動(dòng)化焊接設(shè)備而采用手工焊接，但是由于這些分段所占比例較小，且焊后一般采用打磨措施，焊縫余高基本符合焊接標(biāo)準(zhǔn)，故本文對(duì)對(duì)接焊的焊接余量不做研究。

除對(duì)接形式外，角接焊縫是船舶焊接中最主要的焊接形式，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，分段建造中角焊形式焊材用量基本達(dá)到分段所用焊材總量的50%。

部件角焊縫一般采用平角焊機(jī)，平面分段縱骨焊接采用多電極縱骨焊，立角焊機(jī)也在普及之中。但在大部分曲面分段及角焊機(jī)不適用的分段，氣體保護(hù)焊仍占據(jù)主導(dǎo)地位。角焊機(jī)、多電極縱骨焊受設(shè)備本身及焊絲等限制，單道焊的焊腳極限為7mm，超過這一極限則對(duì)焊縫成形有影響。船體結(jié)構(gòu)的焊腳尺寸從4.5~12mm變化較大，而焊工為了操作的方便而沒有頻繁的調(diào)整焊接參數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致焊腳尺寸大大超過規(guī)定尺寸，角焊縫的焊接如圖1所示。我們一般將角焊縫板外部分視為等腰三角形進(jìn)行近似計(jì)算。

圖1 角焊縫焊接示意

2. 案例分析

以某20萬t級(jí)散貨船為例，進(jìn)行角焊縫的尺寸測(cè)量及分析：

全船角焊縫長(zhǎng)約28.44萬m，折合焊絲約為278t，按照市場(chǎng)價(jià)格1.3萬元/t計(jì)算，為361.3萬元。此外，計(jì)算中應(yīng)考慮焊接過程中所需要的人工費(fèi)用及動(dòng)力能源消耗，由此可見焊接成本在全船成本中占據(jù)可觀的份額。因此，在這里我們討論如何在保證施工質(zhì)量的前提下，通過適當(dāng)?shù)姆椒▏?yán)格控制角焊縫的焊腳尺寸，來達(dá)到減輕空船重量，降低造船成本的目標(biāo)。

本文對(duì)此20萬t級(jí)散貨船的分段進(jìn)行抽樣，并測(cè)量抽樣分段的角焊縫尺寸，對(duì)每個(gè)相同測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)量，結(jié)果取三次測(cè)量平均值，最后將不同測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的規(guī)定值進(jìn)行比對(duì)，如表1所示。

由表1可以看出，T型材的面板與腹板連接的角焊縫焊接質(zhì)量較高，焊腳尺寸余量控制在1mm左右，其他很多位置焊腳不夠平滑，多處焊腳尺寸測(cè)量值明顯大于要求值。

通過對(duì)部分分段焊縫的抽樣分析，來估算整船焊腳尺寸余量。按照不同焊接位置，對(duì)一個(gè)分段內(nèi)的角焊縫進(jìn)行分類，并計(jì)算同類焊縫的長(zhǎng)度占該分段總焊縫長(zhǎng)度的比例，依照比例對(duì)該分段的焊縫尺寸測(cè)量值及要求值進(jìn)行計(jì)算，得到加權(quán)平均值，作為焊縫余量的計(jì)算依據(jù)，其簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在一個(gè)環(huán)段中，焊腳尺寸測(cè)量值約為8.5mm，規(guī)定值為6.5mm，剖面積為36mm2和21mm2，計(jì)算的焊腳尺寸實(shí)際余量為72%，大大超標(biāo)。

按照上述分析，如果將余量控制在1mm（考慮焊材熔化后流動(dòng)），則船上焊材重量減少4 0t，約占全部角焊縫焊絲重量的1 4.4%，按照市場(chǎng)價(jià)格1.3萬元/t計(jì)算，則可節(jié)約51萬元。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，有大量角焊縫不夠平滑，尺寸嚴(yán)重超標(biāo)，在測(cè)量時(shí)避開了這些區(qū)域，如果將這些區(qū)域一并考慮，則還有可能再減少5%的焊材重量。此外，如果考慮到過程中人工費(fèi)用以及焊絲的耗損和焊接過程中的動(dòng)力能源消耗，那么過大的焊接余量帶來的經(jīng)濟(jì)損耗十分嚴(yán)重。

表1 分段角焊縫尺寸對(duì)比

表2 分段角焊縫尺寸簡(jiǎn)化值對(duì)比

3. 焊接余量控制方法

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在焊縫檢查中，一般只是檢查焊腳是否夠大，這也導(dǎo)致在施工過程中，工人為了一次報(bào)驗(yàn)通過，習(xí)慣留有很大的余量，造成船廠造船成本的增加。因此很有必要在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量控制施工中角焊縫的余量。為了解決該問題，建議在加強(qiáng)焊工思想、質(zhì)量教育前提下盡量將焊接規(guī)格表中要求的焊腳尺寸標(biāo)注在結(jié)構(gòu)件上，再將焊腳理論尺寸范圍（可加上一定余量，但必須要有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建議為10%~20%）采用彈線的方法顯示在結(jié)構(gòu)上，這樣焊工在施焊過中很容易控制焊腳大小，如圖2所示。

以某型32萬t VLCC焊材理論重量計(jì)算為例，計(jì)算分段實(shí)際焊材用量：角焊焊材質(zhì)量=橫截面×2×焊縫長(zhǎng)度×密度；對(duì)接焊焊材質(zhì)量=橫截面×焊縫長(zhǎng)度×密度。

從常規(guī)的板厚、焊腳尺寸大小，對(duì)角焊縫和對(duì)接縫的焊接要素進(jìn)行了計(jì)算，這也是計(jì)算焊接材料用量的理論依據(jù)，結(jié)果如表3~表6所示。

根據(jù)表3~表6，按照分段組立圖和TRIBON模型統(tǒng)計(jì)不同板厚相應(yīng)的角焊縫，對(duì)接焊縫長(zhǎng)度，計(jì)算相應(yīng)的角焊縫、對(duì)接焊縫的焊材重量。

（1）VLCC船典型縱艙壁分段最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 焊材總重量合計(jì)為1.165 8t，其中角焊縫焊材重量為0.44157t，對(duì)接焊縫為0.724 3t，分段結(jié)構(gòu)重量為145.133t，焊材總重量占結(jié)構(gòu)重量的比例為0.80%，角焊縫焊材重量占分段焊材總重量的38%。

（2）VLCC船典型邊底分段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 焊材總重量合計(jì)為1.60873t，角焊縫焊材重量為0.6837t，對(duì)接焊縫焊材重量為0.925 1t，分段結(jié)構(gòu)重量為203t，焊材總重量占結(jié)構(gòu)重量的比例為0.80%，角焊縫焊材重量占分段焊材總重量42.5%。

其他貨艙區(qū)域分段不一一列舉，根據(jù)其他貨艙段分段焊材重量的統(tǒng)計(jì)，可以得出貨艙段焊材重量與結(jié)構(gòu)重量的比值約為0.81%。由于本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)未考慮鉚工裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對(duì)接定位馬焊接等，僅為模型純理論所需焊材重量，若綜合以上各種因素，考慮焊材與結(jié)構(gòu)重量比例約為1%。角焊縫焊材重量約為分段焊材總重量的50%。

圖2 焊腳彈線示意

表3 角焊縫焊接要素

表4 平面分段流水線埋弧焊對(duì)接焊接要素

表5 CO2平焊對(duì)接焊接要素

表6 埋弧焊對(duì)接焊接要素

（3）VLCC船典型機(jī)艙分段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 焊材總重量為1.151t，角焊縫焊材重量為0.519t，對(duì)接焊縫焊材重量為0.632t，分段結(jié)構(gòu)重量為121t，焊材總重量占結(jié)構(gòu)重量的比例為0.98%，角焊縫焊材重量占焊材總重量45.1%。

其他機(jī)艙分段焊材統(tǒng)計(jì)不一一列舉，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得出，機(jī)艙段焊材理論重量與結(jié)構(gòu)重量比值約為1%，若考慮裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對(duì)接定位馬焊接等因素，焊材與結(jié)構(gòu)總量比例為1%~1.2%。角焊縫焊材重量約為分段焊材總重量的50%。

綜上所述，首部分段焊材用量最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：焊材用量與結(jié)構(gòu)重量比例約為0.83%，角焊縫與對(duì)接焊縫各占50%，若考慮裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對(duì)接定位馬焊接等因素，焊材與結(jié)構(gòu)總量比例約為1%。

（4）尾部分段焊材用量最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果 焊材用量與結(jié)構(gòu)重量比例約為1%，角焊縫與對(duì)接焊縫比2:3，若考慮其他因素，所需焊材總量與結(jié)構(gòu)重量比例為1%~1.2%。

（5）上建分段焊材用量最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果 焊材用量與結(jié)構(gòu)重量比例約為0.7%，角焊縫與對(duì)接焊縫比為1.1:1，若考慮其他因素，所需焊材總量與結(jié)構(gòu)重量比例約不超過1%。

根據(jù)各部分（首、尾、機(jī)艙、貨艙區(qū)及上建區(qū)域）結(jié)構(gòu)實(shí)際重量，同時(shí)根據(jù)各部分實(shí)際焊材的用量比例可計(jì)算出整船的焊材實(shí)際用量，同時(shí)為焊材訂貨標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)，如表7所示。

通過某型3 2萬t VLCC焊材統(tǒng)計(jì)分析，可看出整船焊材訂貨總量按結(jié)構(gòu)重量2%執(zhí)行已經(jīng)足夠滿足實(shí)際要求，3%標(biāo)準(zhǔn)過于寬松（焊材工藝消耗定額Dh=W（凈）×K，其中W（凈）為鋼材凈重，K值按中船總產(chǎn)品焊接材料消耗定額考核標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。萬噸級(jí)散貨船K值取2.69%，2 000t以上原油船取2.67%，船舶噸位越大，K值越?。?，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制定于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)還沒有建造大型VLCC、VLOC的經(jīng)驗(yàn)，目前20萬t級(jí)、30萬t級(jí)、4 0萬t級(jí)船舶已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)各大船廠的主要在建船型，但是目前船廠通用的焊材工藝消耗定額標(biāo)準(zhǔn)沒有相應(yīng)改進(jìn)，且各大船廠均取系數(shù)K為3%，這與目前國(guó)內(nèi)船廠提倡的節(jié)能降耗制度不符，不利于提高中國(guó)船廠的競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)予以修改。如能實(shí)現(xiàn)對(duì)角焊縫焊腳大小的成功控制，焊材訂貨2%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有進(jìn)一步提升的空間。

4. 結(jié)語

影響空船重量的因素有很多，本文僅從焊材控制方面做出論述，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果得出：若加強(qiáng)焊接控制（尤其是角焊焊腳余量的控制），節(jié)省的焊材重量相當(dāng)可觀，焊材節(jié)約是降低空船重量的一種行之有效的辦法。同時(shí)根據(jù)本文論述可得出焊材訂貨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需改進(jìn)提高，焊材訂貨量降低一個(gè)百分點(diǎn)對(duì)船廠的降本增效也是一種有力的支持。

表7 某型32萬t VLCC焊材統(tǒng)計(jì)分析

[1] 柳金海，陳百誠(chéng).金屬管道焊接工藝便攜手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1

[2] 倪慧鋒.船舶焊接技術(shù)應(yīng)用[J].現(xiàn)代焊接，2007（11）： 4-5.