一种船用吊机塔身结构的焊接工艺方案

2019-09-04

武汉船舶职业技术学院学报 2019年2期

(1.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050；2.武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉 430084)

吊机是平台甲板上必备的配套起重设备，它的稳定运行对船舶和海洋平台的安全营运起着重要的作用[1]。随着海上物流的发展，越来越多的货物选择集装箱船运输，对船用吊机的要求也越来越高[2-3]。塔身是吊机的核心部件之一，其结构精度决定了吊机的承载能力。吊机塔身体积大、重量超重、结构复杂、制造精度要求高，所以研究塔身钢结构的制造工艺，对于保证起重机产品的质量、提高生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义[4-5]。

本文在塔身制作过程中严格控制下料、焊接顺序设计、装配顺序设计，焊接方法选择等工艺环节，灵活运用检验工装、焊前和焊后矫正法及无损检验方法，随时报检记录焊接变形和焊缝缺陷，并及时校正，从而有效地控制了吊机塔身的焊接变形和尺寸精度，形成了规范的工艺流程和精细的工艺方案，提高了吊机的交货质量。

1 塔身及结构件工艺方案

塔身结构主要由塔身中部、塔身顶部、塔身大底板、塔身附件以及塔身舾装件等组成，为保证吊机塔身结构件尺寸精度和满足后续装配要求，需要对塔身的各个结构件工艺做出严格的质量要求，重点讨论塔身中部，塔身顶部和塔身大底板的这三个结构件的焊接工艺方案。塔身的结构组成见图1。

图1 吊机塔身的结构组成

1.1 塔身中部结构的焊接

塔身中部结构包括：前部筋板、前部壳体、后部壳体、后部筋板、顶板、防撞器，司机室座板等。塔身中部结构组成见图2。

图2 塔身中部的结构组成

首先对塔身中部的零部件下料，钢板下料前应进行100%超声波探伤，按JB/T4730.3-2005执行，Ⅱ级合格。钢板要进行预处理和校正，先喷丸除锈和打底漆，然后在平板矫正机上矫正，使板料原有的内应力和波浪变形减小。型材采用火焰校正，注意避免强制装配。要求采用数控切割机下料，采用半自动切割机开坡口，抽检下料尺寸和坡口尺寸[5]。塔身中部的壳体零件按照图3所示的J剖及F剖及塔身高度L、斜面高H(尺寸A和尺寸B)绘制下料图，其余零件按照施工图纸绘制下料图；前部壳体与后部壳体上司机室孔、门孔、两种通风窗孔下料时可将套料零件下出。

图3 塔身中部壳体下料方法及压制样板放置图

前部壳体及后部壳体的压制样板选取J剖面及G剖面，可以采用如图3所示的样板或相对应的角度样板，前部壳体及后部壳体各两件，对称压制。压制过程中及压制完成后，均用角度样板或图3所示的样板检查，样板与工件的间隙≤2mm。

对后壳体组件进行加工，后壳体组件的结构如图4a所示。先装焊后壳体，再装环筋板、纵筋板，在纵缝上加装4～5块加强筋板，防止焊接纵缝的角变形。环筋板与壳体纵缝交叉处，应先预焊纵缝100～150mm，并打磨平后装配筋板。按图4b所示检查后壳体下部截面尺寸A、B，允差±10mm，并用平尺检查钢板的平面度≤4/1000mm，|C-D|≤10mm,并用样板检查后壳体角度，样板与工件的间隙≤2mm。

图4 后壳体装焊图

后壳体组件焊接顺序，先焊筋板焊缝，再焊纵缝内侧焊缝；处于立焊部位的环筋板边缘部分留出至少距壳体板边100mm不焊，以保证对接焊时的钢板错边量符合要求；对接焊缝应由中间向两端作分段退焊进行焊接，焊接前需在塔身壳体外侧加装防变形刚性支撑；筋板与壳体的焊缝，先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝，应由中间向两端作分段倒退焊进行焊接。形成后壳体组件，并加装工装吊耳。

接着对前壳体组件进行加工，前壳体组件的结构如图5(a)所示。前壳体与后壳体结构形式比较类似，前壳体焊接顺序、装配精度要求可参照后壳体制作过程。

图5 前壳体装焊图

最后做塔身中部壳体总装。将前壳体组件与后壳体组件合拢，前壳体与后壳体的板厚错变量≤1mm，按图6检查所示的塔身下口的尺寸A、B、C、|D-E|，允差±10mm，焊接前需在塔身壳体外侧加装4～5块加强筋板，并在塔身内部加装钢管支撑，保证塔身壳体开档尺寸。

图6 塔身中部壳体总装检查示意图

塔身内部焊缝焊接完成后，在塔身壳体外侧进行清根，焊接外部拼缝，外部焊缝需采用埋弧焊进行盖面。焊后对塔身中部所有未下料到位的孔进行修割并打磨。装焊塔身顶部加强筋板、塔身顶板、吊耳及眼板、司机室座板、防撞器等零件。在焊接过程中注意采用反变形法，塔身内部焊接产生的焊接角变形很大，可以采用折边机或油压机制造出反变形，控制平面度，不用火焰加热比较有利于保证产品质量，制造焊前反变形比焊后校正可减小焊接残余应力并节约工期[5]。如焊后确有较大变形可采用火焰矫正辅以千斤顶校正，校正达到以下要求：壳体平直度≤4/1000mm，局部最大为≤6/1000mm；司机室座板、门框的平直度≤2mm。

1.2 塔身顶部结构的焊接

塔身顶部结构见图7，首先对塔身顶部零部件下料，顶部法兰内孔须单边留15mm机加工余量，下料后再机加工；锁绳头板下料时板厚留至少5mm余量，下料后机加工。

图7 塔身顶部结构示意图

塔身顶部工艺流程见图8，塔身顶部装焊，先将顶部腹板分别与顶部法兰装焊，焊后校平组成腹板组件。在装配平台上按图纸划出腹板的距离位置线，组对装焊腹板组件，装焊时保证腹板组件中顶部法兰之间的开档尺寸和同心度，允差0～+2mm。用三角尺检查腹板与平台的垂直度，三角尺与腹板的间隙小于1mm，装配完成后，组对的腹板组件必须加两条斜支撑和两条横支撑以防止变形。装焊锁绳头、顶部包板及挡绳圆钢，焊接时应尽量对称施焊，焊接由中间向两端施焊。腹板组件焊接后对腹板平面度进行检查并校正至≤2mm。

图8 塔身顶部工艺流程图

1.3 塔身大底板的焊接

塔身大底板的结构示意见图9。首先对塔身大底板下料，大底板下料前应进行100%超声波探伤，按照JB/T4730.3-2005，Ⅱ级合格，厚度留5～7mm余量。回转减速机齿轮孔单边须留15mm余量，垫板厚度留10～12mm余量。大底板下料后、装焊前需进行校正，平面度≤5mm，否则可采用压力机或火焰校正；吊耳在扣塔后换成卧运吊耳，两种吊耳焊缝均需进行100%磁粉探伤，按照JB/T 4730.4-2005，Ⅱ级合格。

图9 吊机大底板结构示意图

塔身大底板结构工艺流程见图10,大底板的装焊首先按照大底板几何外形划出大底板的十字中心线、吊臂枢轴、垫板等零件的装焊位置线。吊臂枢轴、垫板等零件与大底板应贴紧装配，吊臂枢轴与大底板的中心线的距离允许偏差1mm，与大底板之间的装配间隙≤1mm。吊臂枢轴焊接前，检验员对坡口进行确认后进行施焊。吊臂枢轴焊前须预热至150℃，层间温度不低于预热温度，焊后用石棉布包覆缓冷。焊接时应两名焊工进行对称施焊。

图10 塔身大底板工艺流程图

焊后对吊臂枢轴的焊缝进行100%磁粉探伤，JB/T 4730.4-2005，Ⅱ级合格。焊后校正，在划线平台上进行检查，划线平台平面度要求在0～0.5mm以内；在平台上放置3个等高铁，将大底板放在等高铁上，调整吊臂枢轴的高度，高度差<1mm，再调整大底板相对另外两边的高度差<1mm；用3m的平尺检查大底板的平面度，对非回转支承的面平面度≤5mm，局部允许7mm；用等高线检查回转支承安装面的平面度及回转减速机安装垫板的平面度≤5mm，局部允许7mm，至少检查21个点，点与点的间距约400mm。若平面度无法满足要求需进行校正。

2 塔身总装工艺方案

在装配阶段要严格控制公差，否则在后续工序中产生的累积误差必然会造成尺寸超差[4]，从而影响塔身的尺寸精度。要求塔身中心线直线度不大于1/2000，平面度不大于1mm，并用激光经纬仪检查直线度和平面度，及时调准[1]。

2.1 塔身顶部与塔身中部的装配

在塔身顶板上划出四块顶部腹板组件的安装线，注意该安装线根据塔身的中心线划出。让塔身顶部与安装线对正，注意塔身顶部须对应塔身中部的筋板装配。焊接前，在塔身中部顶板无筋板的两个1/4面装焊防变形支撑。焊接时，尽量对称施焊，焊接由中间向两端施焊，应严格控制焊缝高度。焊后校正，应达到以下要求(如图11)。座板的间距B、B1、C、C1应达到图面要求；两组座板滑轮孔轴线应垂直塔身中心线，不垂直度不超过2mm；塔身顶板的平面度不超过1/1000；探伤标准参照JB/T 4730.3-2005。前门组件与塔身焊接，在吊车试验扣塔完成或试验完成后对前门进行冲水试验，不得漏水。

图11 塔身顶部与塔身中部焊后矫正图

2.2 塔身舾装件、附件装焊

塔身主结构完成后进行塔身舾装件和附件的装配、焊接。舾装件、附件装配前需对其油漆情况进行检查，确保所有舾装件及附件均已进行预处理(喷丸、车间底漆)；依照图纸尺寸装配、焊接塔身各舾装件，焊缝外观依照相关规定进行报检。

3 焊接操作

塔身结构的制作工艺方案为：①装配-②报检-③焊接-④校正-⑤报检-⑥探伤-⑦喷丸-⑧油漆；工艺流程图见图12。

图12 塔身结构工艺流程图

由于吊机塔身为箱体式厚壁大型焊接结构，焊接工作量非常大[6]，壁厚大刚性大，焊接时易产生较大的焊接变形和应力，严重时会影响后续装配和使用寿命，因此需要合理的焊接方法来控制变形，焊接方法选用CO2气体保护焊，该方法焊接热输入集中，变形小，生产效率高，成本低[7]。对于厚度超过20 mm 的板材对接接头，开X形坡口代替V形坡口，X 形坡口的熔敷金属比V 形坡口的熔敷金属约少一半，降低了焊接热输入从而控制焊接变形，同时严格控制角焊缝高度，最好能一焊成形[8]。