3 mm焊脚高度角焊缝的应用

2019-02-22李明明

设备管理与维修 2019年1期

李勇，李明明

（1.中国船级社广州分社，广东广州 510235；2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州 510715）

0 引言

新型水面舰艇的设计制造，大量采用高强度船体结构钢材，由于船体结构板厚减薄，舰艇具有更轻的自身重量、更快的船舶航速等优点，得到了业界的广泛认可。但船体结构板减薄，带来了薄板焊接变形难以控制的难题。我国某船厂建造的600 t级高速执法船，主船体采用高强度钢材，船体内隔舱壁及中间甲板的板厚（4～5）mm，根据以往类似板厚的焊接施工经验，焊后需要大量的矫正作业以消除焊接变形。

1 焊脚尺寸规范要求

船舶结构角焊缝的焊脚尺寸，通常采用焊喉厚度h和焊脚高度K进行衡准，焊喉厚度主要用于前期的详细设计，同时也是焊缝强度计算的主要衡准值；焊脚高度主要用于后期的生产设计和焊接验收，因为用焊喉厚度h确定焊脚高度K时，需要考虑焊接方法、工艺参数、焊缝型式及其他条件，因此只有在生产设计阶段才能完全确定。船体结构角焊缝的具体要求，参见各个船级社入级规范中焊缝设计的相关章节，而该型600 t级高速执法船按照《海警舰艇设计建造规范2017》设计建造，其中第2篇第1章第4节中，虽然用表格列举了大量不同位置的船舶结构之间角焊缝的焊接系数，但在后面另外给出了一个焊喉厚度的最小值表（表1）。从表1中可以看出，对于手工焊和自动焊的船体结构角焊缝，当板厚≤7.5 mm时，角焊缝的最小焊喉厚度需要达到3 mm。

表1 焊喉厚度的最小值 mm

2 问题

根据《海警舰艇设计建造规范2017》的规范要求，对（4～5）mm厚高强度船体结构钢角焊缝的焊脚高度要求≥4.2 mm。根据现场的施工情况，当板厚4 mm角焊缝的焊脚高度为4.2 mm时，船体结构在小组立和中组立阶段，焊接变形比较明显。

而根据相关公式（1），（2）所示，当角焊缝的接头形式和焊板尺寸、材料固定时，纵向收缩应力为常数，纵向挠曲变形和挠度与总的纵向收缩应力相关，与焊缝金属断面面积成正比。

上述式中，PL为总的纵向收缩应力；σL为纵向收缩应力；AW为焊缝金属断面面积；f为纵向弯曲扰度；b为纵向焊缝距试板重心的距离；l为焊接试板长度；E为弹性模量；J为焊接试板截面惯性矩。

因此，已完成生产设计的船体结构，为了减小角焊缝的焊接变形，只有考虑改变焊缝金属断面面积AW，而焊缝金属断面面积等于焊缝总长乘以焊喉厚度h，所以只有减小焊喉厚度，才能减小焊缝金属断面面积，达到减少焊接变形的目的。但规范中已经明确给出最小焊喉厚度的要求，需要验证更小焊喉厚度的强度可以满足施工工艺要求。

3 角接焊工艺验证试验

（1）试验方法。采用4 mm厚DH36高强度钢作为焊接母材，准备4块（1000×150）mm的钢板，两两组装成角接焊试验件，2个试验件的装配间隙分别为0 mm和1 mm，标记为0号件和1号件。对2个试验件进行单侧平角接的单层单道焊焊接，焊缝长度1 m，焊后测出的焊脚高度3 mm。

（2）焊接工艺。采用药芯焊丝CO2气体保护自动焊，使用直径1 mm的JQ.YJ501-1焊丝，使用KAIERDA KE-350焊机，焊接电流（170～185）A，焊接电压（24～26）V，焊接速度 56.4 m/h，CO2流量 25 L/min。

（3）试验结果。2个试件焊接完毕后，进行外观检查和表面渗透检测，结果满足要求。分别从2个试件中取出2个长度约25 mm的焊缝断面宏观试样和一个长度约400 mm的破断试样，1号件焊缝断面宏观试样金相检测结果如图1所示，显示焊缝成形良好，有足够的熔深，无裂纹和未熔合缺陷，试样硬度检测最大硬度218 HV10，最小硬度135 HV10。1号件破断试样检测结果如图2所示，显示焊缝无裂纹和未熔合，气孔符合ISO 5817和ISO 10042的B级要求。0号件的破断试样在2块母材几乎被压到一起后，单侧的填角焊依然没有完全裂开，进一步验证焊缝具有足够的连接强度，且装配间隙越小（焊喉厚度值越大）连接强度越大。试验结果得出，3 mm焊脚高度的角接焊焊接工艺满足要求，可以应用于船体结构间的角焊缝，但需要控制装配间隙≤1mm，且装配间隙越小越好，同时该焊接工艺只适用于焊接母材（3～6）mm厚的薄板。