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        中大型船舶維修過程中的焊接工藝優化及質量控制

        作者:談嘯峰 張鳴宇 來源:《產品可靠性報告》日期:2024-02-04人氣:174

        中大型船舶維修工作難度大、流程復雜度高,在具體實施過程中需要綜合考慮不同工藝在時間、質量、成本等方面的影響,其中就包括焊接工藝。而傳統船舶焊接工藝多適用于中小型船舶,中大型船舶的鋼材特點與力學結構分布對焊接工藝要求更高,否則,維修后的焊接質量將無法達到預期[1]。因此,通過優化焊接工藝,中大型船舶維修質量將顯著提升,且維修周期、成本也將得到控制,為船舶維修企業參與市場競爭創造了有利條件。

        一、船舶維修焊接工藝概述

        船舶在航行一定周期后需要進行船體的二次維護,而部分維修項目涉及船體切割,而切割后的部分需要通過焊接進行補全,從而保證船體力學結構的穩定性。在船舶維修焊接過程中,工人需要按照相關要求進行焊接,如電流、焊材、速度等,即船舶維修焊接工藝。區別于船舶建造過程中的焊接工藝,船舶維修過程中的焊接多呈現出點狀分布,即根據實際維修需要對特定點位進行焊接,如此,焊接過程不僅受空間影響,還需要考慮不同焊接工藝的質量問題,這增加了船舶焊接難度。

        二、船舶維修過程中的常見焊接工藝問題

        焊接工藝需要根據船舶維修項目的實際情況進行確認,在對船舶維修過程中傳統焊接質量問題進行系統分析的情況下,相關工藝問題主要表現在以下幾個方面。

        (一)未焊透

        船舶維修過程中多需要對船體進行切割,后期修復工作需要將切割后的鋼板焊接在原位置,然而,此類大面積焊接對電流、溫度、速度等都有著較高要求,且需要根據焊縫的實際情況適當調整以上要素,否則,將出現未焊透現象[2]。所謂未焊透,是指焊材融化后的金屬未能填充整個焊縫,直觀表現就是焊縫中間存在一條較為明顯的“黑線”,由于未焊透現象的存在,導致焊接點位置極易發生崩裂、斷裂,這也是船舶維修過程中由于焊接工藝導致的質量問題。與氣孔、夾渣等較為常見的焊接問題相比,未焊透的危害最為嚴重,甚至部分未焊透問題只能夠通過專用檢測設備才能夠發現。

        (二)形變

        船舶維修過程中的焊接多為原船體結構上的二次操作,在焊接過程中由于工藝設計焊接點對外應力失衡,焊接處將發生不同程度的形變[3]。導致焊接形變的問題較為復雜,主要包括焊接層數較多、焊接順序不當、母材厚度與焊接要素控制等。形變問題的存在將破壞船體的力學結構,對與特殊位置的焊接形變問題還將影響船舶航行安全,如導航設備安裝底座等。由于大多數焊接形變無法通過肉眼直接觀察到,這也在一定程度焊接質量控制難度,對焊接工藝要求也相對較高。

        (三)局部燒穿

        船舶維修過程中的焊接工藝多延續了設計時的要求,然而,船舶在經過一段時間的海上航行后,部分位置因銹蝕等導致鋼材厚度減小,在實際焊接過程中堅持原有工藝的情況下,焊材中的金屬在間隙中長時間保持熔融狀態,或者是由于大電流狀態下焊材移動速度較慢,導致間隙中熔融狀態下的金屬較多而發生滴落現象,這也是造成局部燒穿的原因之一。局部燒穿將破壞焊接的整體效果,尤其是在水線以下,局部燒穿將帶來毀滅性的后果,因此,船舶維修企業在下水前需要對所有水線以下焊點進行檢查,從而避免局部燒穿問題。

        (四)縮孔

        船舶維修過程中還存在一種較為典型的縮孔現象,在效果上與局部燒穿具有相似性,但可以通過焊點、焊縫的飽滿狀態判定其是否為縮孔問題。局部燒穿是由于大電流狀態下焊材移動速度太慢導致,而縮孔則是由于焊材移動速度太快導致熔融狀態的金屬無法充分填滿孔隙,或者是未做好保溫措施的情況下溫度驟降而影響熔融金屬的冷卻速度??s孔與局部燒穿也有著些許區別,縮孔多不具備穿透性,但該質量問題導致焊點、焊縫的力學效果明顯下降,且處理難度較大。

        三、中大型船舶維修過程中的焊接工藝優化

        焊接是船舶維修中的常見項目,中大型船舶維修所涉及焊接點位較多,且不同焊接點位的實際狀態存在明顯差異,基于中大型船舶的特殊力學結構,以及參考傳統焊接工藝存在的諸多質量問題,相關工藝優化方案如下。

        (一)未焊透的焊接工藝優化

        船舶維修過程中的未焊透問題多出現在焊點或焊縫較厚的情況下,通過無損檢測儀進行檢測后可以發現,焊點、焊縫兩側位置熔接效果良好,而位置則存在一條較為明顯的影像,且從中間到邊緣的影像效果由深到淺變化。在中大型船舶焊接過程中,未焊透現象通常不具有連續性,這與焊點、焊縫的坡口處理效果、工藝設計等存在較大關系,因此,未焊透問題需要通過以下工藝優化策略得以解決。

        (1)選擇具有較強滲透力的焊材。不同焊材的熔融后的滲透能力存在較大差異,針對中大型船舶鋼板厚度大的特點,為避免未焊透現象,則需要選擇高滲焊材。

        (2)焊點、焊縫預處理。為保證熔融金屬可以順利流入焊接位置,工人需要在焊接前對焊點、焊縫進行預處理,主要包括合理設計坡口角度,擴大間隙,減少焊點、焊縫的垂直根深。

        (3)合理控制焊接電流。電流大小直接關系到焊材熔融速度,可通過增大電流的方式加快焊材熔融速度,以及提高熔融金屬溫度。同時,為避免磁偏吹導致的焊接質量問題,可使用交流電焊接設備。

        (4)調整焊材移動速度。在合理控制焊接電流的基礎上,由于中大型船舶焊點、焊縫多為不規則狀態,工人需要根據焊點、焊縫的實際大小、深度與電流大小調整焊材移動速度,保證熔融金屬充滿焊點或焊縫。

        以氣體保護焊為例,作為中大型船舶維修過程中較為常見的焊接方法,其焊接電弧可根據現場情況進行調整,由于該焊接工藝能夠通過氣體保護的方式提高焊接質量,可以有效降低空氣導熱對熔融金屬狀態的影響,降低發生未焊透現象的幾率[4]。但是,氣體保護焊不僅對焊接環境有著一定的要求,焊接過程中還會產生一定量的有害氣體,因此,采用該焊接方法時需要做好安全防護,避免中毒事故。

        (二)形變的焊接工藝優化

        中大型船舶維修過程中焊接作業的點狀分布不可避免的會產生形變問題,在排除因鋼結構的力學分布導致的形變問題外,可通過優化焊接工藝避免焊點、焊縫區域發生形變。

        首先,焊接處預熱處理。焊接過程中的熱量造成的熱脹冷縮是造成形變的主要原因,為此,工人在進行焊接前應對焊接位置周圍進行預熱處理,預熱溫度為焊接溫度,預熱結束后應及時進行焊接。

        其次,焊接處物理固定。物理固定主要針對較長的焊縫,在焊接之前,通過夾具將焊接對象固定在一起,并適當調整焊縫間隙。若焊縫周圍無法安裝傳統夾具,則可以利用強磁固定設備,并盡量避免強磁場導致的“偏吹”現象。

        第三,環境溫度控制。環境溫度的驟然變化也是造成焊點、焊縫形變的重要原因之一,傳統工藝中對環境溫度控制并未明確要求,因此,在焊接過程中,應保證環境溫度變化不超過。

        最后,選擇合適焊材。若焊材直徑較小,則極易導致熔融金屬無法快速填充孔隙,而梯度式的冷卻效果無法保證焊接強度,因此,在對焊接工藝進行優化時,需要選擇較大直徑的焊材,并調整焊接電流,保證熔融金屬快速填充且不過量。

        (三)局部燒穿的焊接工藝優化

        船舶維修過程中的局部燒穿問題較為常見,其主要原因在與焊點、焊縫厚度與電流大小之間的匹配問題,相關數據在焊接工藝中雖有所體現,但工人在焊接之前多未進行數據復測,由此造成局部燒穿。因此,在工藝優化方面,應強調以下三點。

        (1)保持較小焊接間隙。不同焊接工藝所達到的效果存在較大差異,在焊接之前,工人需要控制焊接位置板材的裝配精度,盡量保持焊縫間隙的大小一致,否則,將由于焊接參數控制不當導致局部燒穿問題。

        (2)嚴格進行數據適配。中大型船舶板材厚度均大于小型船舶,在焊接前需要對焊接位置進行打磨、拋光等處理,并對處理后的板材厚度、長度等進行測量,并按照焊接工藝表調整電流、電壓等數據。

        (3)科學選用焊接噴嘴。船舶維修過程中會使用到氧乙炔焊、氧乙炔焊等工藝,為保證焊接質量,則需要根據實際情況選擇不同規格的焊接噴嘴,而噴嘴的規格與焊接板材的厚度之間存在關系[5]。板材厚度與噴嘴大小成正比,板材越厚,焊接噴嘴也就越大,通常情況下,為避免局部燒穿問題,噴嘴大小適當增加可達到預熱板材、隔絕空氣的效果,在控制時間的情況下,也能夠提高焊接質量。

        局部燒穿問題將直接威脅中大型船舶航行安全,尤其是用于運輸氣體、液體的船舶,甚至存在發生爆燃的可能。因此,通過以上工藝優化,將有效避免局部燒穿問題,且還能夠節約焊接成本,提高焊接效率。

        (四)縮孔的焊接工藝優化

        中大型船舶維修多為露天作業,尤其是在室外溫度較低的情況下,縮孔問題出現的概率明顯增加,為提高焊接質量,可通過優化焊接工藝進行溫度保護,延緩熔融金屬的冷卻時間,相關方法主要有以下兩種。

        第一,持續加熱。在完成焊接之后,工人應在焊點周圍進行多次點焊,在焊點、焊縫周圍形成“溫度隔離帶”,熔融金屬的冷卻時間也將變慢,以避免熔融金屬降溫梯度差異導致的縮孔問題。若現場存在轉角等特殊結構,可選用熱烤槍進行加熱,這也是避免焊接縮孔的重要手段。

        第二,氣體保護。短弧焊是一種經濟、高效、安全的焊接工藝,在中大型船舶維修中使用較為普遍,在焊接完成后,雖然已經熄弧,但需要繼續向焊接位置噴射氬氣,從而實現溫度保護效果。由于氬氣保護的范圍有限,該縮孔問題工藝優化方案不能適用于長距離焊縫的縮孔問題。

        除此之外,由于焊接過程中熔融金屬未能充分填滿焊縫的問題,則可以適當降低焊材移動速度,或者增大焊接電流。這里需要注意的是,熔融金屬過度填充將造成焊接質量下降,甚至存在局部燒穿、滴焊的可能,在工藝優化中對相關焊接參數的控制有著明確要求。

        四、中大型船舶維修過程中的焊接質量控制措施

        焊接質量將直接關系到中大型船舶航行安全,因此,在為保證中大型船舶維修過程中的焊接質量,在優化焊接工藝的同時,還需要加強質量控制,針對以上幾種較為常見的焊接問題,相關質量控制可按照介入時間分為事前控制、事中控制和事后控制。

        (一)事前控制

        所謂事前控制,是指中大型船舶維修項目管理部門需要對焊接工藝進行審查,并通過實地勘驗明確焊接工藝的可行性與有效性。為保證中大型船舶維修過程中焊接工藝的執行效果,需要明確項目責任人,焊接所需材料、設備等保障條件。

        (二)事中控制

        中大型船舶維修過程中焊接工藝優化是基于理論和經驗的結果,在具體焊接過程中的突發因素將直接影響焊接質量。在此情況下,項目管理部門需要對焊接過程進行監督,針對特殊情況的焊接工藝調整需要經過技術部門的論證,對違反相關質量控制人員,項目管理部門需要進行嚴肅處理。

        (三)事后控制

        由于中大型船舶維修過程中其內部應力分布會發生變化,為保證焊接質量,在焊接完成后需要多次對重點焊接位置進行質量檢測。焊接質量檢測需要使用到超聲波探傷儀、焊縫檢測儀等專用儀器,若存在焊接質量問題,則可以通過多次檢測結果對比分析進行判斷,這也保證了焊接質量檢測的科學性、準確性。通過事后控制,能夠及時發現一些較為隱蔽的焊接質量問題,這也避免了中大型船舶交付后的重大安全事故。

        五、結語

        焊接工藝優化是應對中大型船舶維修任務增加的必然要求,是船舶維修企業市場競爭力的重要組成部分。結合科學的質量控制,能夠為船舶焊接工藝優化提供參考,在提高焊接效率與質量的基礎上,保證船舶維修進度,降低因維修過程中焊接質量問題導致的安全事故發生幾率。


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