天圓地方型吊機(jī)基柱的焊接工藝方案

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(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050；2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

吊機(jī)是平臺甲板上必備的配套起重設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行對船舶和海洋平臺的安全營運(yùn)起著重要的作用[1]。吊機(jī)長期服役容易受到腐蝕損耗、疲勞裂紋或局部凹陷等因素影響[2]，從而降低其承載能力和安全性[3]。隨著新型多功能船舶和海洋平臺的升級，對吊機(jī)的結(jié)構(gòu)件精度要求也更高[4]。基柱是實(shí)現(xiàn)吊機(jī)功能的核心部件，各船級社將吊機(jī)基柱的結(jié)構(gòu)類型規(guī)定為主要構(gòu)件[5]，基柱結(jié)構(gòu)重量大，尺寸大，不同板厚焊接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且包括較多環(huán)焊縫和縱焊縫，焊接變形較大[6]。

為此，考慮運(yùn)用剛性固定工裝、反變形法及焊后校正法，在制作過程中嚴(yán)格控制下料、坡口設(shè)計、焊接順序設(shè)計、裝配順序設(shè)計，焊接方法選擇等工藝環(huán)節(jié)，隨時報檢記錄焊接變形并及時校正，從而有效控制天圓地方型吊機(jī)基柱的焊接變形和尺寸精度，形成規(guī)范的工藝方案，提高吊機(jī)的交貨質(zhì)量。

1 基柱及結(jié)構(gòu)件工藝方案

吊機(jī)基柱的結(jié)構(gòu)形式包括:單節(jié)直筒型、單節(jié)錐筒型、上錐下圓型，天圓地方型等，其中以天圓地方型基柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，應(yīng)用范圍更廣。天圓地方型基柱的結(jié)構(gòu)組成見圖1。

為保證吊機(jī)基柱結(jié)構(gòu)件尺寸精度和滿足后續(xù)裝配要求，需要對基柱的各個結(jié)構(gòu)件工藝提出嚴(yán)格的質(zhì)量要求，重點(diǎn)討論天圓地方結(jié)構(gòu)、法蘭和直筒體的這3個結(jié)構(gòu)件的焊接工藝方案。

1.1 天圓地方結(jié)構(gòu)的焊接

天圓地方結(jié)構(gòu)拼縫有2種形式：一種為拼縫位于直邊段和弧形段相切，另一種為拼縫位于等腰三角形中線，見圖2。

天圓地方結(jié)構(gòu)按施工圖樣要求拼焊，對于拼縫在直邊段和弧形段相切處時，僅在弧形段留100 mm(δ<30 mm)或200 mm(δ≥30 mm)的預(yù)彎段(見圖3a)；對于拼縫在等腰三角形中線處時，還需在靠近頂部圓弧處留150 mm預(yù)彎段，(見圖3b)。

單件弧形段由油壓機(jī)對角線壓制而成：先在鋼板上放樣劃出16條或更多的上下圓等分點(diǎn)連接法線作為壓制線，根據(jù)弧形段的截面制作上下2個截面內(nèi)樣板，壓制時用內(nèi)樣板檢查，內(nèi)壁與樣板的間隙≤2 mm，注意小圓弧部分的切點(diǎn)應(yīng)與樣板的切點(diǎn)對正，允差±1 mm。檢查天圓地方結(jié)構(gòu)分段的對角線尺寸，允差±10 mm；檢查小圓弧段與直邊段切點(diǎn)位置到直邊末端的尺寸，允差±3 mm。

在平臺上劃出上口圓與下口方的地樣線(內(nèi)壁)，裝配時檢查各零件與地樣線的對正度，允差±3 mm，檢查縱向錯邊量及板厚錯邊量，應(yīng)不超過2 mm，須檢查上部圓弧外圓周長，允差-4～+8 mm，檢查下口的各邊長，允差±5 mm。

焊后應(yīng)采用穿芯模校正或火焰校正，上部圓弧的最大最小直徑差≤5 mm，同一斷面上最大最小半徑之差≤3 mm，下部矩形對角線誤差不超過5 mm，以保證裝配精度。

1.2 法蘭的焊接

首先，法蘭鋼板下料前應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷，按JB/T4730.3-2005執(zhí)行，Ⅱ級合格。法蘭可按圖5所示進(jìn)行四拼下料并開坡口，下料時內(nèi)、外圓單邊各留15 mm加工余量，厚度留14～18 mm加工余量。然后，檢查每段法蘭板的平面度≤1/1 000 mm，在裝配平臺上按圖4所示劃出法蘭內(nèi)圓或外圓的位置線，將各段法蘭線落位。最后，檢查法蘭板厚度方向的錯變量≤1 mm，用1 m的鋼尺檢查兩段法蘭拼接縫的平面度，鋼尺與法蘭板的間隙≤2 mm，檢查內(nèi)外圓直徑(圓周方向至少8點(diǎn))，應(yīng)有足夠的加工余量(單邊不小于10 mm)。

焊接前坡口及其周圍20 mm范圍內(nèi)打磨見金屬光澤，坡口粗糙度不低于50 μm，坡口裝配尺寸按圖5要求進(jìn)行。檢查合格后定位焊，為了控制變形，應(yīng)在焊縫上方裝騎縫馬加固(板厚40～60 mm)。焊前對焊接部位及周邊3倍板厚范圍預(yù)熱至120 ℃，層間溫度≥120 ℃。焊接由偶數(shù)名焊工同時對稱焊接，焊接過程中應(yīng)多次測量法蘭的平面度，并根據(jù)變形情況調(diào)整焊接順序和翻面，法蘭翻面應(yīng)3～5次。檢查法蘭平面度應(yīng)≤5 mm，不合格需進(jìn)行校正。檢查內(nèi)外圓直徑，應(yīng)有足夠的加工余量(單邊≥10 mm)。焊后24 h進(jìn)行100%超聲波探傷。

1.3 直筒體的焊接

直筒體板厚≥50 mm的鋼板應(yīng)進(jìn)行100%超聲波探傷。直筒體按圖5所示尺寸放樣，L(直筒體中性層展開長)=(筒體內(nèi)徑Di+板厚δ)×π，每端留放400 mm預(yù)彎段，B為圖紙標(biāo)注的直筒體的高度，在該方向上應(yīng)留不小于10 mm的加工余量。數(shù)控切割完成后，按圖5劃預(yù)彎段及切割線檢查線、高度方向加工線，并打上洋沖，要求直筒體板材兩對角線之差(|L1-L2|)≤2 mm，直筒體高度的加工余量10 mm，直筒體展開長L允差±2 mm。

采用半自動切割直筒體與法蘭焊接處的環(huán)縫坡口，下端面的過渡坡口及焊接坡口切割后去除掛渣及毛刺，坡口表面若有切割缺陷，應(yīng)補(bǔ)焊并修磨平整。若該筒體段存在過渡坡口結(jié)構(gòu)，需采用半自動切割加工出。將有洋沖標(biāo)記的一面置于內(nèi)側(cè),并在輥床上預(yù)彎60°，在卷制過程中用圖6所示樣板檢查直筒體的內(nèi)半徑，樣板弦長≥1/3 筒體直徑，樣板R允差±0.5 mm，筒體內(nèi)壁與樣板的間隙≤2 mm。

按線切除預(yù)彎段，采用半自動切割機(jī)切割縱縫坡口；繼續(xù)在輥床上輥圓,并用內(nèi)樣板檢查，筒體內(nèi)壁與樣板的間隙≤2 mm。合攏定位焊前檢查縱縫坡口板厚方向的錯邊量及基柱筒體縱向的錯邊量，要求錯邊量小于2 mm。定位焊后復(fù)查筒體的外圍長，外圍長=筒體外徑Do×π，允差-4～+8 mm，在直筒體高度方向的上、中、下截面均需測量。

焊接施工時，先焊內(nèi)側(cè)，并在外側(cè)清根焊透。直筒體在輥床上校正，必要時可用油壓機(jī)或火焰校正，按如下方法檢查筒體圓度：①同一斷面上最大最小直徑之差≤5 mm；②同一斷面上最大最小半徑之差≤3 mm；③筒體內(nèi)壁與檢查樣板的間隙≤2 mm。筒體縱縫進(jìn)行100%超聲波探傷。

2 基柱總裝工藝方案

在裝配階段要嚴(yán)格控制公差，否則在后續(xù)工序中產(chǎn)生的累積誤差必然會造成尺寸超差[6]，從而影響基柱的尺寸精度，要求中心線直線度不大于1/2 000，平面度不大于1 mm，用激光經(jīng)緯儀檢查直線度和平面度，并用墊板調(diào)準(zhǔn)。

2.1 法蘭與直筒體的裝配

法蘭與直筒體裝配前，復(fù)查直筒體的外圍長，允差-4～+8 mm，復(fù)查直筒體同一斷面最大最小直徑差≤5 mm，同一斷面上最大最小半徑之差≤3 mm。在法蘭上按圖7a)和圖7b)所示劃出直筒體縱縫的位置線，法蘭拼縫與直筒體縱縫應(yīng)錯開至少30°以上，如果圖紙對拼縫布置有要求，按圖紙執(zhí)行。利用米字型剛性支撐工裝控制圓度，最后將法蘭落位，加工面朝上。

按照直筒體的縱縫位置對線落位，調(diào)整基柱筒體的位置及圓度，檢查筒體外圓與法蘭外圓(已粗加工)的距離，如圖8所示，測量至少24點(diǎn)，距離差Δa<3 mm，檢查筒體與法蘭上平面的垂直度，用500 mm高的直角尺緊貼檢測，直角尺與筒體內(nèi)壁或外壁的間隙≤1 mm，且保證筒體與法蘭的裝配間隙為0～3 mm，合格后在筒體外圓定位焊牢，點(diǎn)焊避開筒體縱縫。

在筒體相應(yīng)位置上用洋沖標(biāo)記出法蘭的拼縫位置線(4處)。依次裝入內(nèi)外圓環(huán)、內(nèi)外圓筒、縱筋等零件，確保縱筋與下部基柱筋板的對應(yīng)性和一致性。檢查筒體下口圓度：①同一斷面上最大最小直徑之差≤5 mm；②劃線找圓心，測量筒體半徑，要求最大最小半徑差≤3 mm；合格后裝入米字型剛性支撐工裝。

基柱法蘭環(huán)縫焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱100～120 ℃，層間溫度≥120 ℃，焊后用石棉布覆蓋，焊接偶數(shù)名焊工同時對稱焊接，焊接過程中應(yīng)多次測量法蘭的平面度，并根據(jù)變形情況調(diào)整焊接順序，焊后用石棉布覆蓋緩冷[7]。對法蘭與筒體的焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷，要求法蘭平面度≤5 mm，檢查筒體圓度要達(dá)到：①同一斷面上最大最小直徑之差≤5 mm；②劃線找圓心，測量筒體半徑,要求最大最小半徑差≤3 mm。

2.2 天圓地方型基柱裝配

在平臺上放出方底板，對樣將方底板落位，點(diǎn)焊固定。參考平臺地樣，在方法蘭上劃出天圓地方結(jié)構(gòu)上口、下口的地樣，對樣裝配天圓地方結(jié)構(gòu)，對角線允差±5 mm。裝配直筒體及縱筋、橫筋、內(nèi)圓環(huán)、球扁鋼等零件，直筒體與天圓地方結(jié)構(gòu)縱縫錯開至少30°以上，調(diào)整直筒體與天圓地方結(jié)構(gòu)板厚方向的錯邊量，對接錯邊量≤0.1δmm(δ為較薄板厚)，且≤3 mm；調(diào)整直筒體與天圓地方結(jié)構(gòu)間隙2±1 mm,按施工圖檢查基柱的高度，允差±5 mm，合格后在筒體外圓定位焊牢，并對坡口進(jìn)行報檢確認(rèn)后進(jìn)行焊接。縱筋、橫筋與直筒體的間隙3±1 mm，縱筋、橫筋與天圓地方結(jié)構(gòu)的間隙3±1 mm，特別要注意天圓地方結(jié)構(gòu)縱筋板與下部基柱筋板的對應(yīng)性和一致性。

焊前檢查法蘭、直筒體、方底板、與天圓地方結(jié)構(gòu)的同心度、直筒體與法蘭的垂直度、法蘭平面度、方底板平面度、基柱高度允許尺寸等，并對坡口進(jìn)行報檢確認(rèn)后方可進(jìn)行焊接。直筒體與天圓地方結(jié)構(gòu)對接的焊接順序：焊縫內(nèi)側(cè)焊兩層、反面清根、外側(cè)焊3層、內(nèi)外交替焊接，焊接過程中,應(yīng)采用由偶數(shù)名焊工采用相同焊接規(guī)范同時對稱焊接[8]。

焊接校正后保證上部(法蘭、基柱筒體內(nèi)外圓環(huán))與天圓地方結(jié)構(gòu)的同心度≤8 mm，直筒體與法蘭的垂直度≤2 mm，法蘭平面度≤5 mm，方底板平面度≤5 mm，基柱整體高度允許尺寸公差±5 mm，其余尺寸按施工圖樣執(zhí)行。焊后超聲波探傷，然后整體進(jìn)行退火，最后噴丸油漆。

3 焊接流程及操作

其工藝方案為：裝配→報檢→焊接→校正→報檢→探傷→噴丸→油漆。工藝流程見圖9。

由于天圓地方型基柱形狀復(fù)雜，承載較大，焊接變形大等特點(diǎn)，其焊縫數(shù)量多且長，剛性大，焊接時易產(chǎn)生較大的焊接變形和應(yīng)力，影響后續(xù)裝配和使用壽命，因此需要合理的焊接方法，調(diào)整焊接參數(shù)和焊接順序來控制變形。焊接方法優(yōu)先選用了能量密度大的CO2氣體保護(hù)焊[9]。該方法焊接熱輸入集中，變形小，生產(chǎn)效率高，成本低。選用藥芯焊絲YCJ501-1，直徑1.2 mm。焊機(jī)型號為NB-350，直流反接，焊接工藝參數(shù)見表1。焊接時采用偶數(shù)名焊工對稱施焊，分中分段退焊以控制焊接變形[10]。

表1 焊接工藝參數(shù)

4 結(jié)論

此方案廣泛應(yīng)用于吊機(jī)基柱的生產(chǎn)中，實(shí)踐證明方案措施合理，可操作性強(qiáng)，優(yōu)化工藝后制造的基柱尺寸精度大大提升，帶來的質(zhì)量優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益明顯。這種規(guī)范的焊接工藝方案可為承載較大的基柱及類似結(jié)構(gòu)的焊接提供借鑒。

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