船舶壓載水處理系統UV反應器焊接變形控制

摘 要：UV反應器是船舶壓載水處理系統的核心部件;其內部的液體流場分布、紫外線光場分布以及紫外光強值的精確設置，是決定整個壓載水處理系統對船舶壓載水的微生物、細菌處理效果的技術核心所在。所以，UV反應器的焊后變形及尺寸精度情況是影響反應器內部流場分布、光場分布及紫外光強值精確測定的主要因素，因此焊后變形及尺寸精度控制是其制造的重點及難點。本文通過對UV反應器制造的材料因素、結構因素及制造因素進行分析;從零部件的預制切割到裝配、再到部件焊接逐序制定工藝管控措施。經驗證，UV反應器焊后變形及尺寸精度均達到設計要求，證明工藝措施可靠有效。

關鍵詞：壓載水;UV反應器;變形控制;尺寸精度

中圖分類號：U664.85 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0062-02

0 前言

為防止船舶壓載水排放引起的外來物種入侵，病原體傳播導致的環境、人類健康、財產及資源方面損害，國際海事組織（IMO）通過了《2004年國際船舶壓載水與沉積物控制和管理公約》，2017年9月8日公約正式生效。船舶壓載水處理系統是履約的關鍵裝備。其中機械式過濾+紫外線滅活是壓載水處理中的主流、高效的處理方式，而UV反應器是整套處理系統的核心部件之一，其制造的精度直接影響壓載水對生物的處理效果。

因其工作環境接觸包括海水、淡水、混合水等各種水域，遂整體采用316L不銹鋼全熔透焊接而成。如圖1：UV反應器結構原理簡圖。UV反應器核心技術就是科學設置通過UV反應器壓載水的流場分布和紫外光場分布，以及對不同壓載水流量的紫外線強度劑量的科學設置;要保證流場、光場以及紫外線強度都在理論設計范圍內，這就要求UV反應器的變形控制及尺寸精度在設計的公差范圍內。

1 制造焊接的重點及難點分析

1.1 材料因素

與普通碳鋼相比，奧氏體不銹鋼的電阻可達碳鋼的5倍，線膨脹系數比碳鋼約大50%，熱導率比碳鋼低，僅為其1/3[1]。在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應力，導致焊縫及其周圍區域產生較大的焊接變形[2];由此可推算出，不銹鋼焊后受熱變形量與碳鋼相比呈倍數增加。由此，控制焊接變形是UV反應器焊接中的一個難點。

1.2 結構因素

UV反應器結構如圖2，反應器主體為異徑四通結構，此四通結構為非標尺寸，定做成本較高，并且精度無法滿足設計要求，故采用管路焊接。各型號反應器的主管管徑為240mm≤D≤600mm，支管管徑為200mm≤D≤560mm，壁厚7mm≤δ≤10mm;主管與支管管徑相差10-50mm，主、支管管徑相接近，主管相貫處較狹窄，此處強度較弱。

另外，從圖2的結構圖中可看到，相貫的異徑四通一側集中多個角度不一、大小不同的小尺寸接管，同時還有一個觀察孔;此面形成多個應力集中點，結構完全不對稱。設計要求整體管路焊后橢圓度不超過±0.5%D（D為管路公稱外徑），幾個接管中的兩個為測量紫外線光強度的傳感器座，為確保所測量光強的精確性，從而指導設置正確的光強值，此傳感器座焊后尺寸精度須保證在零點幾毫米范圍內，焊接控制難度大。控制焊接座的焊后尺寸精度是一個難點。

1.3 制造因素

在焊前準備過程中，由于整體結構為管與管相貫，并且相貫的兩管直徑相接近;常規的相貫管切割難免造成相貫縫隙大小不一，導致焊縫各處拘束度不同;坡口角度不均勻，使整個焊縫各處的填充金屬量不均勻，從而加大焊縫內應力，引起焊縫變形增大。由圖2結構圖可知，主管切割面積較大，在采用熱切割時，會引起主管較大變形。因此，減小或消除焊前準備對焊接變形及精度的影響因素是一個重點。

2 工藝措施

焊接應力和變形是由多種因素交互作用而導致的結果。對于復雜焊接結構件焊接應力與變形控制要從多方面著手，在每道工序進行嚴格控制，減小熱輸入，并且減小焊接熱輸入的不均勻性，包括控制焊接電流的大小、同參數對稱焊接、保證坡口的均勻性等;采用合理的裝配、焊接順序，盡量減小裝配間隙[3]。

2.1 針對材料因素的工藝措施

我們采取熱量集中，線能量小的焊接方法，小焊接規范，快焊速，小層間溫度，盡量減小焊縫金屬填充量。

2.2 針對結構因素的工藝措施

盡量保證裝配的精度，減小或消除焊縫裝配間隙。由于鉻鎳奧氏體不銹鋼常溫時的力學性能優于碳鋼，低溫時又具有機械強度高、韌性好的優良特性，因此焊件焊后立即進行快速冷卻和矯正，均不引起焊縫的開裂[4]。所以，焊接時可使用機械方法進行固定，待焊縫完全冷卻后松開夾具。采用專門的焊接夾具，用機械方法施加拘束力，可使焊縫區域的焊接變形傾向減小，從而達到滿意的成形外觀[2]。焊接時分段對稱焊接，先焊接變形大的區域，讓焊接應力充分釋放，再焊接變形小的區域，有利于減小焊后的整體變形。

2.3 針對制造因素的工藝措施

優化切割方案，選用切割變形小的方式切割下料;通過預先矯形等方法減小焊縫的不均勻性;選擇合適的坡口形式，減少坡口的不均勻性及減少焊接填充量。

3 制造焊接工藝

3.1 切割方案

針對UV反應器各部件對精度要求，結合公司現有設備條件，下料切割備選方案有三種：數控等離子相貫線切割機切割、數控線切割機切割、機械加工。

（1）日常切割不銹鋼管路的最常規、最簡便的方法為等離子相貫線切割機切割。由圖2結構圖可知，主管切割面積較大，切割受熱后會引起主管的變形。經試驗，等離子相貫線切割機切割后橢圓度變形最大達6mm，最小處3mm，變形不均勻，矯正很困難。

（2）采用線切割機切割，切割后的筒體幾乎無變形，但切割后主管與支管相貫處不能完全吻合，需要采用手工修磨方式進行相貫面的修磨，并且坡口需要單獨加工。

（3）采用機加工，通過多軸聯動機床可精確加工出部件形狀及尺寸;變形可忽略不計。但由于管路壁厚較小，內部為空腔;在裝夾及加工時需要制作專用工裝卡具，否則加工困難，并且需要多軸聯動機床，條件限制較大，且成本較高。

綜合以上對比，決定選用線切割方式切割下料，然后采用手工修磨方式研配修磨，確保裝配接近0間隙;各焊接座開口處采用機械加工方式鉆孔，所鉆孔與焊接座接管尺寸預留0.1mm間隙。切割時，根據經驗留出長度的收縮余量。由于切割前管路結構對稱、變形均勻，矯形較容易;所以在管路切割前對管路預矯形處理，確保管路橢圓度平均控制在0.5mm范圍內。

3.2 裝配工藝

（1）裝配時，確保各部件裝配間隙接近0間隙。

（2）支管路各焊縫處選用單面45°雙V型坡口（相較單面V型坡口，焊縫金屬填充量減少一半）;為保證全熔透，不留鈍邊，主管路不開坡口。

（3）先裝配主管與支管成異徑四通，并將組裝的四通的四個管路采用四個厚圓板固定，待相貫縫焊接冷卻后去除。異徑四通焊接完成后裝配并焊接四個法蘭，之后再裝配、焊接各傳感器焊接座。

（4）裝配、焊接光強計焊接座時，通過機加工制作專用定位工裝進行精準定位并對其固定，待焊接完全冷卻后松開定位工裝。

（5）焊接時先焊接相貫的尖角處，即圖2的A處，然后再焊接其它焊縫處，采用分段內外對稱焊接。

3.3 焊接工藝

采用線能量小、熱量集中，且成型較好的鎢極氬弧焊進行焊接。具體焊接參數見表1。

4 結果驗證

對主管外徑337mm，支管外徑325mm裝配、焊接成UV反應器殼體后，測量殼體各數據：UV反應器各分支管路橢圓度最大處1.2mm，1.2mm<0.5%×325mm=1.625mm;焊接座尺寸誤差為0.2mm，小于設計公差要求;角度誤差可忽略不計;變形量及尺寸精度控制都在設計要求范圍內，證明焊接工藝措施可靠有效。

5 結語

對于電阻大、線膨脹系數大、熱導率低的奧氏體不銹鋼異徑四通類精密構件，焊接變形及尺寸精度可通過以下幾個方面進行控制：

（1）嚴格控制零部件焊接前預制的變形情況，可通過非受熱切割加工來保證零件的切割精度，以及減小或避免切割下料產生的變形。根據零件的矯形難易程度，可在切割前或切割后對零件進行預先矯形，控制尺寸在較小的公差范圍內，為后續焊接留出足夠變形量。

（2）提高裝配精度;采用小的裝配間隙、均勻的雙面V型坡口，減少焊接填充量，來縮小焊接變形。注意裝配和焊接順序。如：尺寸精度要求高的焊接座類零件，其他焊縫對其影響較大時，可最后裝配、焊接，避免其他焊縫焊接變形對其尺寸精度產生影響。

（3）采用線能量小、熱量集中的焊接方法，小規范焊接參數，以及控制較低的層間溫度來減小焊接應力;采用先焊接變形大的焊縫，后焊接變形小的焊縫，并采取分段焊接來減小焊接變形。

（4）可制作專用的工裝卡具，對焊接構件進行機械固定，待焊縫焊接完成并完全冷卻后再松開夾具。在使用工裝夾具時應提前估算可能的變形方向及固定位置，否則可能取得相反的效果。

參考文獻

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2009：1031.

[2] 魏傳根.奧氏體不銹鋼焊接變形控制初探[J].機械工人：熱加工，2000（6）：23.

[3] 徐龍勇.大型復雜結構件的焊接應力與變形控制[J].焊接技術，2011，40（12）：54-56.

[4] 王天藝.SUS304儲罐焊接施工中的變形控制[J].煉油與化工，2011（4）：37-40.