船舶压载水处理系统UV反应器焊接变形控制

摘 要：UV反应器是船舶压载水处理系统的核心部件;其内部的液体流场分布、紫外线光场分布以及紫外光强值的精确设置，是决定整个压载水处理系统对船舶压载水的微生物、细菌处理效果的技术核心所在。所以，UV反应器的焊后变形及尺寸精度情况是影响反应器内部流场分布、光场分布及紫外光强值精确测定的主要因素，因此焊后变形及尺寸精度控制是其制造的重点及难点。本文通过对UV反应器制造的材料因素、结构因素及制造因素进行分析;从零部件的预制切割到装配、再到部件焊接逐序制定工艺管控措施。经验证，UV反应器焊后变形及尺寸精度均达到设计要求，证明工艺措施可靠有效。

关键词：压载水;UV反应器;变形控制;尺寸精度

中图分类号：U664.85 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0062-02

0 前言

为防止船舶压载水排放引起的外来物种入侵，病原体传播导致的环境、人类健康、财产及资源方面损害，国际海事组织（IMO）通过了《2004年国际船舶压载水与沉积物控制和管理公约》，2017年9月8日公约正式生效。船舶压载水处理系统是履约的关键装备。其中机械式过滤+紫外线灭活是压载水处理中的主流、高效的处理方式，而UV反应器是整套处理系统的核心部件之一，其制造的精度直接影响压载水对生物的处理效果。

因其工作环境接触包括海水、淡水、混合水等各种水域，遂整体采用316L不锈钢全熔透焊接而成。如图1：UV反应器结构原理简图。UV反应器核心技术就是科学设置通过UV反应器压载水的流场分布和紫外光场分布，以及对不同压载水流量的紫外线强度剂量的科学设置;要保证流场、光场以及紫外线强度都在理论设计范围内，这就要求UV反应器的变形控制及尺寸精度在设计的公差范围内。

1 制造焊接的重点及难点分析

1.1 材料因素

与普通碳钢相比，奥氏体不锈钢的电阻可达碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢约大50%，热导率比碳钢低，仅为其1/3[1]。在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大的拉应力，导致焊缝及其周围区域产生较大的焊接变形[2];由此可推算出，不锈钢焊后受热变形量与碳钢相比呈倍数增加。由此，控制焊接变形是UV反应器焊接中的一个难点。

1.2 结构因素

UV反应器结构如图2，反应器主体为异径四通结构，此四通结构为非标尺寸，定做成本较高，并且精度无法满足设计要求，故采用管路焊接。各型号反应器的主管管径为240mm≤D≤600mm，支管管径为200mm≤D≤560mm，壁厚7mm≤δ≤10mm;主管与支管管径相差10-50mm，主、支管管径相接近，主管相贯处较狭窄，此处强度较弱。

另外，从图2的结构图中可看到，相贯的异径四通一侧集中多个角度不一、大小不同的小尺寸接管，同時还有一个观察孔;此面形成多个应力集中点，结构完全不对称。设计要求整体管路焊后椭圆度不超过±0.5%D（D为管路公称外径），几个接管中的两个为测量紫外线光强度的传感器座，为确保所测量光强的精确性，从而指导设置正确的光强值，此传感器座焊后尺寸精度须保证在零点几毫米范围内，焊接控制难度大。控制焊接座的焊后尺寸精度是一个难点。

1.3 制造因素

在焊前准备过程中，由于整体结构为管与管相贯，并且相贯的两管直径相接近;常规的相贯管切割难免造成相贯缝隙大小不一，导致焊缝各处拘束度不同;坡口角度不均匀，使整个焊缝各处的填充金属量不均匀，从而加大焊缝内应力，引起焊缝变形增大。由图2结构图可知，主管切割面积较大，在采用热切割时，会引起主管较大变形。因此，减小或消除焊前准备对焊接变形及精度的影响因素是一个重点。

2 工艺措施

焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。对于复杂焊接结构件焊接应力与变形控制要从多方面着手，在每道工序进行严格控制，减小热输入，并且减小焊接热输入的不均匀性，包括控制焊接电流的大小、同参数对称焊接、保证坡口的均匀性等;采用合理的装配、焊接顺序，尽量减小装配间隙[3]。

2.1 针对材料因素的工艺措施

我们采取热量集中，线能量小的焊接方法，小焊接规范，快焊速，小层间温度，尽量减小焊缝金属填充量。

2.2 针对结构因素的工艺措施

尽量保证装配的精度，减小或消除焊缝装配间隙。由于铬镍奥氏体不锈钢常温时的力学性能优于碳钢，低温时又具有机械强度高、韧性好的优良特性，因此焊件焊后立即进行快速冷却和矫正，均不引起焊缝的开裂[4]。所以，焊接时可使用机械方法进行固定，待焊缝完全冷却后松开夹具。采用专门的焊接夹具，用机械方法施加拘束力，可使焊缝区域的焊接变形倾向减小，从而达到满意的成形外观[2]。焊接时分段对称焊接，先焊接变形大的区域，让焊接应力充分释放，再焊接变形小的区域，有利于减小焊后的整体变形。

2.3 针对制造因素的工艺措施

优化切割方案，选用切割变形小的方式切割下料;通过预先矫形等方法减小焊缝的不均匀性;选择合适的坡口形式，减少坡口的不均匀性及减少焊接填充量。

3 制造焊接工艺

3.1 切割方案

针对UV反应器各部件对精度要求，结合公司现有设备条件，下料切割备选方案有三种：数控等离子相贯线切割机切割、数控线切割机切割、机械加工。

（1）日常切割不锈钢管路的最常规、最简便的方法为等离子相贯线切割机切割。由图2结构图可知，主管切割面积较大，切割受热后会引起主管的变形。经试验，等离子相贯线切割机切割后椭圆度变形最大达6mm，最小处3mm，变形不均匀，矫正很困难。

（2）采用线切割机切割，切割后的筒体几乎无变形，但切割后主管与支管相贯处不能完全吻合，需要采用手工修磨方式进行相贯面的修磨，并且坡口需要单独加工。

（3）采用机加工，通过多轴联动机床可精确加工出部件形状及尺寸;变形可忽略不计。但由于管路壁厚较小，内部为空腔;在装夹及加工时需要制作专用工装卡具，否则加工困难，并且需要多轴联动机床，条件限制较大，且成本较高。

综合以上对比，决定选用线切割方式切割下料，然后采用手工修磨方式研配修磨，确保装配接近0间隙;各焊接座开口处采用机械加工方式钻孔，所钻孔与焊接座接管尺寸预留0.1mm间隙。切割时，根据经验留出长度的收缩余量。由于切割前管路结构对称、变形均匀，矫形较容易;所以在管路切割前对管路预矫形处理，确保管路椭圆度平均控制在0.5mm范围内。

3.2 装配工艺

（1）装配时，确保各部件装配间隙接近0间隙。

（2）支管路各焊缝处选用单面45°双V型坡口（相较单面V型坡口，焊缝金属填充量减少一半）;为保证全熔透，不留钝边，主管路不开坡口。

（3）先装配主管与支管成异径四通，并将组装的四通的四个管路采用四个厚圆板固定，待相贯缝焊接冷却后去除。异径四通焊接完成后装配并焊接四个法兰，之后再装配、焊接各传感器焊接座。

（4）装配、焊接光强计焊接座时，通过机加工制作专用定位工装进行精准定位并对其固定，待焊接完全冷却后松开定位工装。

（5）焊接时先焊接相贯的尖角处，即图2的A处，然后再焊接其它焊缝处，采用分段内外对称焊接。

3.3 焊接工艺

采用线能量小、热量集中，且成型较好的钨极氩弧焊进行焊接。具体焊接参数见表1。

4 结果验证

对主管外径337mm，支管外径325mm装配、焊接成UV反应器壳体后，测量壳体各数据：UV反应器各分支管路椭圆度最大处1.2mm，1.2mm<0.5%×325mm=1.625mm;焊接座尺寸誤差为0.2mm，小于设计公差要求;角度误差可忽略不计;变形量及尺寸精度控制都在设计要求范围内，证明焊接工艺措施可靠有效。

5 结语

对于电阻大、线膨胀系数大、热导率低的奥氏体不锈钢异径四通类精密构件，焊接变形及尺寸精度可通过以下几个方面进行控制：

（1）严格控制零部件焊接前预制的变形情况，可通过非受热切割加工来保证零件的切割精度，以及减小或避免切割下料产生的变形。根据零件的矫形难易程度，可在切割前或切割后对零件进行预先矫形，控制尺寸在较小的公差范围内，为后续焊接留出足够变形量。

（2）提高装配精度;采用小的装配间隙、均匀的双面V型坡口，减少焊接填充量，来缩小焊接变形。注意装配和焊接顺序。如：尺寸精度要求高的焊接座类零件，其他焊缝对其影响较大时，可最后装配、焊接，避免其他焊缝焊接变形对其尺寸精度产生影响。

（3）采用线能量小、热量集中的焊接方法，小规范焊接参数，以及控制较低的层间温度来减小焊接应力;采用先焊接变形大的焊缝，后焊接变形小的焊缝，并采取分段焊接来减小焊接变形。

（4）可制作专用的工装卡具，对焊接构件进行机械固定，待焊缝焊接完成并完全冷却后再松开夹具。在使用工装夹具时应提前估算可能的变形方向及固定位置，否则可能取得相反的效果。

参考文献

[1] 陈祝年.焊接工程师手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2009：1031.

[2] 魏传根.奥氏体不锈钢焊接变形控制初探[J].机械工人：热加工，2000（6）：23.

[3] 徐龙勇.大型复杂结构件的焊接应力与变形控制[J].焊接技术，2011，40（12）：54-56.

[4] 王天艺.SUS304储罐焊接施工中的变形控制[J].炼油与化工，2011（4）：37-40.