船舶尾軸架的組裝焊接技術

摘 要：本文以廣新海事重工股份有限公司為美國潮水公司建造的58.7 m海洋鉆井平臺工作船尾軸架的焊接為例，總結了尾軸架的組裝焊接經驗，希望能對后續類似工件的焊接起到參考作用。

關鍵詞：大厚度；鍛鋼；精度高；焊接工藝；焊接方法；焊接質量

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

1 前言

隨著海洋開發的不斷發展，海洋工程船的需求日益增長，其作用也越來越大，成為海上發展項目必要裝備。美國潮水公司58.7 m海洋鉆井平臺工作船是由廣新海事重工股份有限公司承接的船舶，負責全船的設計和建造工作，該系列船采用2級動力定位系統（DP2）及雙機ZF可調螺距槳推進， 同時還擁有3臺可調螺距電側推，具備一級消防功能、起錨、拖帶、海上供應等多功能用途，自動化程度高，性能先進，屬于高附加值的海洋平臺供應船。該船總長58.7 m、型寬14.6 m、型深5.5 m、設計吃水4.75 m、航速13.5 kn、主機功率2×2 575 hp、系柱拖力65 t。每艘船有2個尾軸架（見圖1、圖2），每個尾軸架有3個支臂（支臂端面長700 mm×厚110 mm，見圖4）和一個軸轂（Φ710 mm×長900 mm×厚100 mm）組成，材質均為20#鍛鋼材料。支臂和軸轂組成有3個連接焊口，支臂和軸轂其材質厚大，散熱快，焊接工作量大，角變形大，要求全焊透，而我公司位于珠江口，天氣多變，處于不利于焊接的工作環境，要保證焊接質量，并不容易。

圖1 尾軸架左

圖2 尾軸架右

2 尾軸架和軸轂的化學成分（表1）

表1 軸支架和艉軸轂化學成分

尾軸架和尾軸轂的碳當量Ceq分別為0.324%、0.357%，這說明材質的化學成分基本相同，含碳量較低，屬淬硬傾向稍小的低碳鋼，機械性能也基本相同，所以鋼的塑性和韌性較好，其焊接性也較好。但因厚度大，焊接工作量大，產生應力和變形大。尾軸架在工作中主要起到支撐和固定尾軸作用，航行時承受很大的震動力、海水的阻力、沖擊力和其它外力的作用，所以其機械性能要求較高。焊接時，要正確選擇焊材，制定合理的焊接工藝，做好焊前預熱、控制好層間溫度、焊后保溫緩冷等措施來控制焊接應力，使焊縫具有良好的塑性和韌性，從而保證焊縫質量。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法選擇

（1）采用手工電弧焊直流焊機反接。打底焊前5層選用手工電弧焊有利于焊接操作和保證焊縫質量及機械性能。

（2）CO2氣體保護半自動焊。既保證了質量，又提高了效率。

3.2 焊接材料的選擇

尾軸架是鍛件與鍛件的焊接，其含碳量C<0.25%，屬于低碳鋼的焊接，應采用低氫型堿性焊材（焊條和焊絲），從而獲得較高沖擊韌性和塑性焊縫。

焊材選用：

（1）低氫焊條（E4315）：直徑Φ4.0 mm，使用前要經過300 ℃～400 ℃烘干2 h，并且以100 ℃保溫。焊條使用時，必須用焊條保溫桶盛裝，并且接電保溫使用，4 h內未使用完焊條必須退回烘箱保溫，待用時再領。

（2）焊絲（CHT711）：直經為：Φ1.2 mm，使用時保持干燥和清潔。

（3）CO2保護氣體純度要求≥99.5%，無水分，焊接時CO2氣表接電保溫預防結冰，氣體流量為15～20 L/min。

3.3 焊機選擇

（1）手工電弧焊機焊：直流焊機，YD-400AT。

（2）CO2氣體保護焊機：直流焊機，KRII-500。

3.4 焊前要求

（1）焊前清潔，對坡口兩側50 mm范圍內的油污、油漆、鐵銹、氧化皮、水等有影響焊接的污質清潔干凈；

（2）焊前預熱到100 ℃～150 ℃，預熱范圍坡口邊200 mm；

（3）坡口形式的選擇和要求，因為這是鍛鋼板和圓筒體的連接，所以焊接坡口比較特別，見圖3、圖4；

圖3 軸支架坡口

圖4 軸支架橫截面尺寸

（4）焊工要求必須取得船級社SII以上焊工證；

（5）制定合理的焊接順序：

① 每個支臂的A面先打底完，然后用碳刨清根，打磨光順，要求無缺陷；

② 焊接時為了保證質量和防止角變形，由下向上立焊，2人對稱焊接，即左右同時焊接。

（6）選擇正確的焊接參數（見表2）；

表2 焊接工藝參數

（7）焊接過程中隨時控制層間溫度在允許范圍內（60 ℃左右）；

（8）因為坡口較寬，所以采用多層多道焊，每單道焊寬15 mm左右，每層每道接頭（引、熄弧點）應相互錯開至少30～50 mm；

（9）焊接時，每單道焊后必須清除焊渣和飛濺，對于局部出現的焊瘤、夾渣、未熔合等要徹底打磨消除缺陷后再焊接。

4 裝配定位焊要求

定位焊前，坡口要求清潔，且預熱。采用手工電弧焊，定位焊焊條和焊接規范要與正式焊相同。定位焊長50 mm，定位焊間距200 mm。裝配定位焊完后必須經過QC和船檢檢驗合格，測量尾軸架軸線和中心線符合精度要求，并做好臨時加強支撐后方可正式焊接。

5 焊接過程

（1）焊工安排。為了保證焊縫質量和提高工作效率，安排 2人或以上，且取得船級社（SII）以上焊接技術好的焊工焊接，在一個臂的左右兩面同時對稱焊接，從而減少變形。由于兩人同時在一個臂上焊接容易電弧灼傷眼睛，所以中間應該設檔弧板，以減少眼睛傷害。

（2）A面打底層的焊接，見圖5所示。因為打底層的坡口夾角小，CO2焊的槍嘴大，不利于短弧焊接，而且CO2焊的抗裂性較差，所以為了保證焊縫的質量，打底層選擇手工電弧焊，采用（E4315）焊條，直徑為Φ4.0 mm，焊接時采用短弧焊接，弧長約2 mm，從下向上立焊。焊前預熱到100 ℃～150 ℃，用紅外線測溫槍測量溫度并做好書面紀錄。溫度符合工藝要求后，正式進行A面打低焊，約焊5層后，對B面碳刨清根，見圖6所示，打磨光順，無缺陷，對B面打底焊，焊5層。

圖5 軸支架A面打底層的焊接

圖6 軸支架B面碳刨清根

（3）A、B面都打底焊完后，兩面同時采用CO2焊對稱焊接，分多層多道焊，單道焊要求焊寬約為15 mm，厚度約3～5 mm。焊接過程中采用短弧焊接（焊絲伸出長度約8～10 mm），定時對溫度監測，并做好紀錄，保證層間溫度在（60 ℃）。焊接過程要求單個臂一次連續性焊接完畢。

（4）在焊接過程中，焊接應力與變形的產生是不可避免的，船舶尾軸架的軸線、中心線焊接和內圓的精度要求非常高，所以焊接過程中需要不定時的對焊接尾軸架的軸線和中心線等重要數據進行檢測和控制。如果有發生變化時，馬上分析原因，采取措施，控制變形，從而保證焊接變形控制在允許范圍內。

（5）蓋面層的焊接。蓋面層主要是保證焊縫的表面無凹凸超標、咬邊、焊瘤、氣孔和裂紋等缺陷。因為蓋面層的溫度已經很高，在保證焊接質量的前提下，焊接電流可以略調小些，預防產生焊瘤和咬邊。在蓋面前必須把填充層有凹凸不平處理平整，預防蓋面有凹凸。

（6）預防焊接缺陷產生的措施：

① 防止氣孔產生焊前清潔坡口、焊材保證干燥、主要做好防風措施、采用短弧焊接等；

② 防止裂紋的產生主要做好預熱、采用抗裂性好的焊材、控制層間溫度和后熱保溫緩冷等；

③ 防止咬邊正確選擇焊接電流、電壓、焊接速度，短弧焊接；

④ 防止未焊透、未熔合、夾渣，正確選擇焊接電流、加強清潔層間焊渣、注意焊條擺動。

（7）對于厚板、鑄件、鍛件或其他高強度鋼焊后，一般要后熱處理，后熱處理就是將焊件整體或局部加熱到一定溫度，并保溫一段時間，然后空冷或保溫緩冷。后熱處理的目的就是加速接頭中氫的向外抗散，以減少含氫，從而防止延遲裂紋的出現。所以尾軸架焊后，為提高接頭的抗裂性，對焊縫200 mm范圍內局部加熱到200 ℃后用保溫棉保溫緩冷。

6 質量檢驗和結果

（1）焊縫表面外觀嚴格按船舶檢驗標準進行自檢、互檢和專檢。

（2）根據船舶檢驗標準，尾軸架的焊縫必須超聲波（UT）100%探傷，按CB/T3559-2011《船舶超聲波探傷檢驗標準》以A級要求進行檢驗和評定，如果超出標準必須進行返修。 （下轉第頁）（上接第頁）

（3）經超聲波（UT）檢驗結果為：I級合格。（見圖7所示）。

圖7 超聲波（UT）檢驗結果

（4）尾軸架軸線、中心線和內圓的外形尺寸檢驗均符號精度標準，檢驗合格。

7 結論

焊接質量從超聲波（UT）的檢驗結果合格和尾軸架軸線、中心線和內圓的外形尺寸均符合精度標準要求，結果表明所采用的焊接工藝是正確可行的。此次焊接工作為我公司的焊接技術取得了進步，同時得到了船檢和船東的一致好評，實現了公司“質量第一”的目標！

參考文獻

[1] 廣東造船工程學會， 船舶檢驗局廣州分局. 船舶手工電弧焊工基本理

論知識[M]. 1990.

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