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中大型船舶维修过程中的焊接工艺优化及质量控制

作者:谈啸峰 张鸣宇 来源:《产品可靠性报告》日期:2024-02-04人气:93

中大型船舶维修工作难度大、流程复杂度高,在具体实施过程中需要综合考虑不同工艺在时间、质量、成本等方面的影响,其中就包括焊接工艺。而传统船舶焊接工艺多适用于中小型船舶,中大型船舶的钢材特点与力学结构分布对焊接工艺要求更高,否则,维修后的焊接质量将无法达到预期[1]。因此,通过优化焊接工艺,中大型船舶维修质量将显著提升,且维修周期、成本也将得到控制,为船舶维修企业参与市场竞争创造了有利条件。

一、船舶维修焊接工艺概述

船舶在航行一定周期后需要进行船体的二次维护,而部分维修项目涉及船体切割,而切割后的部分需要通过焊接进行补全,从而保证船体力学结构的稳定性。在船舶维修焊接过程中,工人需要按照相关要求进行焊接,如电流、焊材、速度等,即船舶维修焊接工艺。区别于船舶建造过程中的焊接工艺,船舶维修过程中的焊接多呈现出点状分布,即根据实际维修需要对特定点位进行焊接,如此,焊接过程不仅受空间影响,还需要考虑不同焊接工艺的质量问题,这增加了船舶焊接难度。

二、船舶维修过程中的常见焊接工艺问题

焊接工艺需要根据船舶维修项目的实际情况进行确认,在对船舶维修过程中传统焊接质量问题进行系统分析的情况下,相关工艺问题主要表现在以下几个方面。

(一)未焊透

船舶维修过程中多需要对船体进行切割,后期修复工作需要将切割后的钢板焊接在原位置,然而,此类大面积焊接对电流、温度、速度等都有着较高要求,且需要根据焊缝的实际情况适当调整以上要素,否则,将出现未焊透现象[2]。所谓未焊透,是指焊材融化后的金属未能填充整个焊缝,直观表现就是焊缝中间存在一条较为明显的“黑线”,由于未焊透现象的存在,导致焊接点位置极易发生崩裂、断裂,这也是船舶维修过程中由于焊接工艺导致的质量问题。与气孔、夹渣等较为常见的焊接问题相比,未焊透的危害最为严重,甚至部分未焊透问题只能够通过专用检测设备才能够发现。

(二)形变

船舶维修过程中的焊接多为原船体结构上的二次操作,在焊接过程中由于工艺设计焊接点对外应力失衡,焊接处将发生不同程度的形变[3]。导致焊接形变的问题较为复杂,主要包括焊接层数较多、焊接顺序不当、母材厚度与焊接要素控制等。形变问题的存在将破坏船体的力学结构,对与特殊位置的焊接形变问题还将影响船舶航行安全,如导航设备安装底座等。由于大多数焊接形变无法通过肉眼直接观察到,这也在一定程度焊接质量控制难度,对焊接工艺要求也相对较高。

(三)局部烧穿

船舶维修过程中的焊接工艺多延续了设计时的要求,然而,船舶在经过一段时间的海上航行后,部分位置因锈蚀等导致钢材厚度减小,在实际焊接过程中坚持原有工艺的情况下,焊材中的金属在间隙中长时间保持熔融状态,或者是由于大电流状态下焊材移动速度较慢,导致间隙中熔融状态下的金属较多而发生滴落现象,这也是造成局部烧穿的原因之一。局部烧穿将破坏焊接的整体效果,尤其是在水线以下,局部烧穿将带来毁灭性的后果,因此,船舶维修企业在下水前需要对所有水线以下焊点进行检查,从而避免局部烧穿问题。

(四)缩孔

船舶维修过程中还存在一种较为典型的缩孔现象,在效果上与局部烧穿具有相似性,但可以通过焊点、焊缝的饱满状态判定其是否为缩孔问题。局部烧穿是由于大电流状态下焊材移动速度太慢导致,而缩孔则是由于焊材移动速度太快导致熔融状态的金属无法充分填满孔隙,或者是未做好保温措施的情况下温度骤降而影响熔融金属的冷却速度。缩孔与局部烧穿也有着些许区别,缩孔多不具备穿透性,但该质量问题导致焊点、焊缝的力学效果明显下降,且处理难度较大。

三、中大型船舶维修过程中的焊接工艺优化

焊接是船舶维修中的常见项目,中大型船舶维修所涉及焊接点位较多,且不同焊接点位的实际状态存在明显差异,基于中大型船舶的特殊力学结构,以及参考传统焊接工艺存在的诸多质量问题,相关工艺优化方案如下。

(一)未焊透的焊接工艺优化

船舶维修过程中的未焊透问题多出现在焊点或焊缝较厚的情况下,通过无损检测仪进行检测后可以发现,焊点、焊缝两侧位置熔接效果良好,而位置则存在一条较为明显的影像,且从中间到边缘的影像效果由深到浅变化。在中大型船舶焊接过程中,未焊透现象通常不具有连续性,这与焊点、焊缝的坡口处理效果、工艺设计等存在较大关系,因此,未焊透问题需要通过以下工艺优化策略得以解决。

(1)选择具有较强渗透力的焊材。不同焊材的熔融后的渗透能力存在较大差异,针对中大型船舶钢板厚度大的特点,为避免未焊透现象,则需要选择高渗焊材。

(2)焊点、焊缝预处理。为保证熔融金属可以顺利流入焊接位置,工人需要在焊接前对焊点、焊缝进行预处理,主要包括合理设计坡口角度,扩大间隙,减少焊点、焊缝的垂直根深。

(3)合理控制焊接电流。电流大小直接关系到焊材熔融速度,可通过增大电流的方式加快焊材熔融速度,以及提高熔融金属温度。同时,为避免磁偏吹导致的焊接质量问题,可使用交流电焊接设备。

(4)调整焊材移动速度。在合理控制焊接电流的基础上,由于中大型船舶焊点、焊缝多为不规则状态,工人需要根据焊点、焊缝的实际大小、深度与电流大小调整焊材移动速度,保证熔融金属充满焊点或焊缝。

以气体保护焊为例,作为中大型船舶维修过程中较为常见的焊接方法,其焊接电弧可根据现场情况进行调整,由于该焊接工艺能够通过气体保护的方式提高焊接质量,可以有效降低空气导热对熔融金属状态的影响,降低发生未焊透现象的几率[4]。但是,气体保护焊不仅对焊接环境有着一定的要求,焊接过程中还会产生一定量的有害气体,因此,采用该焊接方法时需要做好安全防护,避免中毒事故。

(二)形变的焊接工艺优化

中大型船舶维修过程中焊接作业的点状分布不可避免的会产生形变问题,在排除因钢结构的力学分布导致的形变问题外,可通过优化焊接工艺避免焊点、焊缝区域发生形变。

首先,焊接处预热处理。焊接过程中的热量造成的热胀冷缩是造成形变的主要原因,为此,工人在进行焊接前应对焊接位置周围进行预热处理,预热温度为焊接温度,预热结束后应及时进行焊接。

其次,焊接处物理固定。物理固定主要针对较长的焊缝,在焊接之前,通过夹具将焊接对象固定在一起,并适当调整焊缝间隙。若焊缝周围无法安装传统夹具,则可以利用强磁固定设备,并尽量避免强磁场导致的“偏吹”现象。

第三,环境温度控制。环境温度的骤然变化也是造成焊点、焊缝形变的重要原因之一,传统工艺中对环境温度控制并未明确要求,因此,在焊接过程中,应保证环境温度变化不超过。

最后,选择合适焊材。若焊材直径较小,则极易导致熔融金属无法快速填充孔隙,而梯度式的冷却效果无法保证焊接强度,因此,在对焊接工艺进行优化时,需要选择较大直径的焊材,并调整焊接电流,保证熔融金属快速填充且不过量。

(三)局部烧穿的焊接工艺优化

船舶维修过程中的局部烧穿问题较为常见,其主要原因在与焊点、焊缝厚度与电流大小之间的匹配问题,相关数据在焊接工艺中虽有所体现,但工人在焊接之前多未进行数据复测,由此造成局部烧穿。因此,在工艺优化方面,应强调以下三点。

(1)保持较小焊接间隙。不同焊接工艺所达到的效果存在较大差异,在焊接之前,工人需要控制焊接位置板材的装配精度,尽量保持焊缝间隙的大小一致,否则,将由于焊接参数控制不当导致局部烧穿问题。

(2)严格进行数据适配。中大型船舶板材厚度均大于小型船舶,在焊接前需要对焊接位置进行打磨、抛光等处理,并对处理后的板材厚度、长度等进行测量,并按照焊接工艺表调整电流、电压等数据。

(3)科学选用焊接喷嘴。船舶维修过程中会使用到氧乙炔焊、氧乙炔焊等工艺,为保证焊接质量,则需要根据实际情况选择不同规格的焊接喷嘴,而喷嘴的规格与焊接板材的厚度之间存在关系[5]。板材厚度与喷嘴大小成正比,板材越厚,焊接喷嘴也就越大,通常情况下,为避免局部烧穿问题,喷嘴大小适当增加可达到预热板材、隔绝空气的效果,在控制时间的情况下,也能够提高焊接质量。

局部烧穿问题将直接威胁中大型船舶航行安全,尤其是用于运输气体、液体的船舶,甚至存在发生爆燃的可能。因此,通过以上工艺优化,将有效避免局部烧穿问题,且还能够节约焊接成本,提高焊接效率。

(四)缩孔的焊接工艺优化

中大型船舶维修多为露天作业,尤其是在室外温度较低的情况下,缩孔问题出现的概率明显增加,为提高焊接质量,可通过优化焊接工艺进行温度保护,延缓熔融金属的冷却时间,相关方法主要有以下两种。

第一,持续加热。在完成焊接之后,工人应在焊点周围进行多次点焊,在焊点、焊缝周围形成“温度隔离带”,熔融金属的冷却时间也将变慢,以避免熔融金属降温梯度差异导致的缩孔问题。若现场存在转角等特殊结构,可选用热烤枪进行加热,这也是避免焊接缩孔的重要手段。

第二,气体保护。短弧焊是一种经济、高效、安全的焊接工艺,在中大型船舶维修中使用较为普遍,在焊接完成后,虽然已经熄弧,但需要继续向焊接位置喷射氩气,从而实现温度保护效果。由于氩气保护的范围有限,该缩孔问题工艺优化方案不能适用于长距离焊缝的缩孔问题。

除此之外,由于焊接过程中熔融金属未能充分填满焊缝的问题,则可以适当降低焊材移动速度,或者增大焊接电流。这里需要注意的是,熔融金属过度填充将造成焊接质量下降,甚至存在局部烧穿、滴焊的可能,在工艺优化中对相关焊接参数的控制有着明确要求。

四、中大型船舶维修过程中的焊接质量控制措施

焊接质量将直接关系到中大型船舶航行安全,因此,在为保证中大型船舶维修过程中的焊接质量,在优化焊接工艺的同时,还需要加强质量控制,针对以上几种较为常见的焊接问题,相关质量控制可按照介入时间分为事前控制、事中控制和事后控制。

(一)事前控制

所谓事前控制,是指中大型船舶维修项目管理部门需要对焊接工艺进行审查,并通过实地勘验明确焊接工艺的可行性与有效性。为保证中大型船舶维修过程中焊接工艺的执行效果,需要明确项目责任人,焊接所需材料、设备等保障条件。

(二)事中控制

中大型船舶维修过程中焊接工艺优化是基于理论和经验的结果,在具体焊接过程中的突发因素将直接影响焊接质量。在此情况下,项目管理部门需要对焊接过程进行监督,针对特殊情况的焊接工艺调整需要经过技术部门的论证,对违反相关质量控制人员,项目管理部门需要进行严肃处理。

(三)事后控制

由于中大型船舶维修过程中其内部应力分布会发生变化,为保证焊接质量,在焊接完成后需要多次对重点焊接位置进行质量检测。焊接质量检测需要使用到超声波探伤仪、焊缝检测仪等专用仪器,若存在焊接质量问题,则可以通过多次检测结果对比分析进行判断,这也保证了焊接质量检测的科学性、准确性。通过事后控制,能够及时发现一些较为隐蔽的焊接质量问题,这也避免了中大型船舶交付后的重大安全事故。

五、结语

焊接工艺优化是应对中大型船舶维修任务增加的必然要求,是船舶维修企业市场竞争力的重要组成部分。结合科学的质量控制,能够为船舶焊接工艺优化提供参考,在提高焊接效率与质量的基础上,保证船舶维修进度,降低因维修过程中焊接质量问题导致的安全事故发生几率。


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