大型船舶钨极氩弧重熔工艺应用

何蕴哲， 徐 立

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

0 引 言

大型船舶的设计寿命一般不低于25 a，例如液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)运输船的设计寿命为40 a。在船舶设计时，对大型船舶高应力区和关键疲劳节点会进行严格的计算分析，一些节点的疲劳计算寿命较其他节点低，并接近设计寿命，因此需要针对这些节点制订特殊的结构形式和建造工艺。某大型船舶在设计建造阶段，对船体结构中的凸形甲板、横舱壁、水平纵桁等不同位置15个节点进行控制、测量和记录，以确保船体结构强度和疲劳性能符合设计要求。对于这些控制节点中的关键位置，会通过装配控制、打磨等方法对结构节点疲劳强度进一步改善。与其他常用的提高结构节点疲劳强度的方法相比，钨极氩弧(Tungsten Inert Gas，TIG)重熔是一种操作简便、质量可控的工艺，可有效提升焊接接头的疲劳强度，造成的环境污染更少。

1 提高结构节点疲劳强度的方法

1.1 提升装配精度

提升构件的装配精度可改善结构应力分布，降低应力集中水平，进而提升结构节点疲劳性能。根据船舶设计阶段对疲劳强度的计算分析结果，结构监控节点按照1/4最小板厚且不大于5.0 mm的装配误差进行控制，高于中国造船质量标准(CSQS)与IACS REC.47主要构件装配精度不超过1/3最小板厚的要求。典型结构节点的装配精度控制如图1所示。

图1 典型结构节点的装配精度控制

1.2 焊后热处理

焊接残余应力是所有焊接结构均具有的特性，焊后热处理可消除一定量的焊接残余应力，改善结构疲劳强度，并可降低疲劳裂纹产生后的扩展速率。受制于船厂施工环境和条件，现场无法对大批量焊缝进行有效的热处理，因此这一方法仅在铸钢材料等少数结构件焊接时应用，尚未在关键节点区的焊缝上使用。

1.3 改善焊缝几何形状

焊趾处过渡圆弧的出现改善了焊缝截面积形状，可降低焊接处应力集中系数。有限元软件ANSYS计算简化模型如图2所示，分别对结构施加拉伸载荷和弯曲载荷，并分析焊趾倾角θ和焊趾圆弧半径与板厚比r/t对应力集中系数的影响。

图2 有限元计算模型及网格图

随着r/t的增大，结构应力集中系数Kt相应减小，在各载荷形式下r/t值为0.01～0.10，Kt减幅为40%～50%[1]。r/t与Kt的关系如图3所示。

图3 r/t与Kt的关系

1.3.1 机械加工

对焊缝表面进行机械加工可使焊缝表面形状趋于理论情况，消除焊缝表面形状缺陷，大幅降低应力集中水平，提升疲劳性能。但机械加工成本高、设备复杂，施工条件、工装要求高，不适宜在船体结构建造中使用。

1.3.2 打 磨

对局部高应力集中区，采用打磨的方式改善焊缝形状、消除焊缝表面缺陷是经济且可行的方法之一。实肋板与内壳结构连接处是应力水平相对较高的位置，是疲劳强度校核的重点位置之一，应力分析结果如图4所示。

图4 应力分析结果

典型节点焊缝通常要求将焊脚尺寸适当加大，并将焊缝打磨光顺，做到圆弧过渡，改善焊缝形状特性，提升疲劳强度。典型节点焊接要求如图5所示。

图5 典型节点焊接要求

对焊缝进行圆弧打磨在船舶建造过程中被大量应用，该方法成本低，施工灵活方便，但粉尘、噪声污染大，人力资源投入多，打磨后焊缝成型受人为因素影响大，焊缝表面圆弧度不易控制。

1.4 焊后重熔

对焊趾区域进行重熔处理可大幅提高焊接接头的疲劳强度。重熔焊缝的几何形状得到改善，焊趾结构得到优化，重熔前后焊缝形状如图6所示。另一方面，焊趾区金属经历一次重新结晶过程，晶粒细化，微小夹渣、裂纹等缺陷被消除，最终提高焊接接头的疲劳强度[2]，重熔前后焊缝晶粒结构如图7所示。重熔工艺在部分海洋工程设施、铁路机车结构件中已被应用，船舶建造行业已逐渐引入该工艺。目前，大型船舶在建造过程中对装配精度进行全面控制，关键区域焊缝焊后重熔技术已全面使用。

图6 重熔前后焊缝形状对比

图7 重熔前后焊缝晶粒结构对比

2 TIG重熔工艺应用

2.1 TIG重熔工艺

大量研究表明，在焊趾表面、母材靠近熔合线0.5 mm处一般存有熔渣等缺陷，焊趾表面还有微夹渣、微裂纹等缺陷，这些缺陷较尖锐，相当于疲劳裂纹提前萌生或成核。焊趾处的焊缝向母材过渡不圆顺、不光滑造成的应力集中加剧疲劳裂纹提前萌生或成核。在焊接过程中形成的焊接残余拉应力，在大多数情况下对接头疲劳寿命有不利影响。这些不利因素的综合作用使焊趾成为疲劳裂纹的萌生地、焊接接头抗疲劳的薄弱环节。

目前，国内外已研究成功多项提高焊接接头疲劳强度的技术，TIG重熔就是其中一项。TIG重熔工艺在氩气保护下，利用钨极与工件之间的电弧热对母材和原有焊缝的熔敷金属进行再次熔合，排除周围空气中氧、氮、氢等气体对重熔金属的影响，可保证重熔金属的致密，大幅减少或基本消除微裂纹、微夹渣。同时，焊趾处的焊缝金属与母材之间形成光滑过渡，减小应力集中，大幅提高焊接接头的疲劳强度。TIG重熔工艺拥有质量稳定、操作方便、环境友好等优势，自20世纪80年代起在铁路、海洋工程等领域展开应用。

2.2 工艺操作规程

参与TIG重熔操作的焊工，必须持有船级社颁发的氩弧焊类焊工资格证书。在进行熔合前，参与TIG重熔操作的焊工必须进行TIG重熔操作资格认证并得到船级社认可。操作规程如下：

(1)在操作前，焊工必须清除重熔区域及两侧50.0 mm内的氧化物、铁锈、水分、油污等，原有焊缝表面缺陷应进行符合规定的修复。

(2)在操作前，原焊缝表面应尽可能打磨平整，如图8所示。

图8 原焊缝表面的处理

(3)为防止重熔区域脆化，影响焊缝强度，在操作前须对重熔区域进行预热，预热温度为100～120 ℃，并对预热过程进行记录和存档。

(4)在进行重熔时，钨极与钢板角度应保持在60°～90°，与重熔方向倾斜不超过10°，焊枪与焊趾部位间距P应保持0～2.0 mm，如图9所示。

图9 焊枪的倾斜角度

(5)焊接参数可参照表1中的推荐值，其中：焊接电流应尽可能小，以减少热输入量，在实际操作中电流一般控制在100～120 A。

表1 氩气保护焊焊接参数推荐值

(6)重熔区域在焊后应进行100%磁粉探伤检测。

2.3 工艺认可与试验

在进行工艺认可前，原有角焊缝应进行目检和无损探伤，保证原焊缝不存在不可接受的焊接缺陷，角焊缝的TIG重熔工艺认可应进行宏观检验、硬度测定和无损探伤。

焊缝断面按照文献[3]进行宏观腐蚀试验，焊缝成型良好，有足够的熔深，无裂纹和未熔合缺陷。试验结果如图10所示。

图10 宏观腐蚀试验结果

钢质结构硬度应按照文献[4-5]在图11中的对应位置进行硬度测量(维氏硬度HV10标准)。

图11 硬度测量点

对最小屈服强度≤420 N/mm2的钢材，测定结果一般应不超过HV350；对420 N/mm2<最小屈服强度≤690 N/mm2的钢材，测定结果应不超过HV420。硬度测量结果如表2所示。

表2 不同测量点硬度测量结果

综上所述，经TIG重熔工艺处理的焊缝性能符合规范要求。

2.4 建造中的操作要点

(1)在船坞施工过程中去除氧化物等可能影响焊缝质量的杂质尤其重要，可能存在的交叉作业和高处焊接作业掉落的焊渣均会影响TIG重熔质量。

(2)在工艺认可试验中，在TIG重熔前对焊趾区域焊脚适度加大，重熔焊缝成型会更光顺，具有更好的几何形状，在实际应用中已达到理想效果。

(3)焊枪的位置在TIG重熔过程中应严格控制，否则得不到预期的焊缝几何形状。在操作时，焊枪的适当摆动有利于获得更好的重熔区几何形状；向焊缝方向摆动时，速度可稍慢一些，使重熔区和原焊缝金属充分熔合，边缘光顺；向母材方向摆动时，速度应稍快一些，使重熔区获得更好的圆弧形状，与母材均匀过渡。焊接电流应尽可能相对偏小，以降低热输入量，降低焊接应力集中。

(4)氩气本身无毒，但在质量分数较高时有窒息作用。空气中的氩气质量分数在超过33%时有窒息危险，在超过50%时出现严重症状，在超过75%时可在数分钟内致死。在TIG重熔施工时应保持空气流通，对氩气质量分数进行检测，严格按照安全规程进行操作。

3 结 语

随着船舶设计寿命越来越长，船体关键节点的疲劳性能越来越被重视。TIG重熔工艺通过改善焊缝几何形状特性提升结构疲劳强度，拥有操作简单、效果可控、安全环保等优点。所制订的TIG重熔工艺标准不仅使船厂可顺利实施TIG重熔，改善结构节点疲劳强度，而且保证类似LNG运输船可具有满足结构疲劳强度计算要求的较长疲劳寿命。经TIG重熔处理的船体结构在船舶营运中的表现可作为规范制订和船舶设计的参考。