浅析低合金钢Q345与船体高强钢EH36的焊接工艺

摘要

船体使用方面极为广泛，作为工业运输的基石，是运输行业不可或缺的运输设备。目前技术已经发展相当成熟。能够满足运输对产品多样化的需求，在现代的运输行业之中，各国的船体运输业都是生产力发展的主力，占据超过一半的体量。现代通过设计夹具、加工等多方面的优势，就能够提升船体的创造价值。可见船体在运输行业中的重要程度。随着整个国家经济实力的进一步快速地发展,运输代理行业自身也都得到了对应快速的发展,而其中经常遇到海运、河运等情况，本次课题任务就是针对船体焊接进行相关分析设计，主要是对船体焊接工艺设计分析。

　关键词：船体；焊接；工艺

　第1章绪论

　　1.1本课题研究的目的与意义

船体使用方面极为广泛，作为工业运输的基石，是运输行业不可或缺的运输设备。目前，这项技术已经发展得相当成熟。可满足产品运输的多样化需求。在现代运输业中，各国的船体运输业是生产力发展的主力军，占总量的一半以上。通过利用夹具设计、加工和其他方面，现代技术可以增加船体的创新价值。这表明了船体在运输业中的重要性。中国的船体与国外技术还有一定差距。基本上，中国只能通过模仿国外先进的船体来学习肤浅的知识，这与国外存在巨大差距。只要我们改进船体的设计，加强研发，提高设计先进船体的能力，我们就可以确保核心利益的逐步增长，而不是通过数量获利。

　1.2发展现状与发展趋势

20世纪70年代，随着焊接和制造技术的不断发展，数控机床开始用于加工复杂零件。这是机械工程领域正在进行的一场革命。目前，数控机床正朝着更高质量的方向发展，主要发展趋势如下：

第一：智能化，随着科技的不断发展，计算机辅助软件以及人工智能技术的不断升级，使得数控机床实现智能化成为基础；

第二：模块化，随着分组越来越明确，人们对数控机床的要求也越来越多，专业化要求使得通用性机床得不到满足，所以通过模块化实施的机床将会得以大发展；

第三：多轴化，目前使用较多的是三轴或者二轴机床，其只能加工某种类型的零部件，而采用多轴化能够加工更为复杂的零部件表面。目前的五轴机床已经出现，相信随着时间的变化，其价格将会越来越低的。将会得到更大规模的利用。

　第2章焊接分析

　　2.1技术分析

　　2.1.1技术要求

本设备的制造、试验和验收按照GBl50-1998《钢制船体》的标准进行焊接的材料，对接式焊接接头设计型式及连接尺寸均可按照行业标准GB985-80中相关规定(设计焊接接头系数φ=1.0)确定,壳体焊缝还需先通过无损探伤检验,探伤宽度为100%。

　2.1.2设计温度

在本次设计中取设计温度大小为50℃

　2.1.3焊缝系数

按照新国家标准《船体安全技术监察规程》规范中的其他相关条文规定,船体制造中常用的纵向焊接接头和横向封头接头等均是须要使用的双面焊或者必须采用厚度相同于双面焊厚的全钢焊透体的横向焊接接头,所以取或常见。的选取按照下表选择:

a355919b98f3efbc2934574d7e4ac1a7

此船体焊接时壳体焊缝采用为完全无损探伤

　　2.1.4材料选择

对于船体焊接的材料选择需要考虑到介质的性质以及工作使用要求，考虑到船体要收到水的冲击以及水具有腐蚀性，材料除了必备的强度要求还需要考虑到其制造性、成本问题，在本次的课题中对比市场上钢材的价格以及钢材的性质，选择钢材的材料为Q345或者EH36，这两种材料不但性质能够满足设计要求，另外其成本较低。对于这两种材料的选择上，可以按照不同的选择依据进行筛选，由于EH36的价格更低，所以但从节约成本的角度来说可以作为制造材料，但如果考虑到后期的使用寿命或者要求强度等性能更好，可以选择Q235，虽然其价格较贵，但是其性能比EH36的要好，价格也相对便宜，一把可用作筒体和封头的材料选择。

　2.2接头分析

　　2.2.1接头分类

船体壳体上焊接的焊接接头按其受力的工作状态分类及受力所处焊接的焊接部位，压力容器壳板上焊接的焊接接头一般情况下可以分为以下4类,具体如下：

第一类：船体最大处焊接的焊接接头，这一类焊接的接头，由于接头尺寸相对较大，所以选择一般的焊接方式是无法将其工作完成的，所以通常要求其对焊接方式采取双面焊接工艺或者确保全面焊透的单面焊接工艺，一般这类焊接出现在船体比较多的地方主要是在主体筒焊接拼接处，封头瓣片材的焊接和拼接缝、半球形的焊接及封头与筒体连接的环焊缝处理等技术;

第二类：当船体整体处于高频率的工作状态下，受到的船体工作应力量约为上述第一类焊接应力的1/2，对于这类的船体焊接接头，焊接方式的统一采取方法包括带衬垫的单面焊接工艺或者双面焊接工艺。其成形工艺特点是一般采用有筒节间接相连所形成的环焊缝、椭圆形及蝶形封头或与接管相接成形的环焊缝等型式;

第三类：在船体焊接接头中对于这类焊接接头一般受力比较小，一般使用角焊接的方式即可满足要求。

第四类：第四类教前三类相比，其受力条件较差，并且此类一般都会有较大的应力集中。另外当对此类接头焊接时，一般其刚性约束较大，而且当完成焊接后，焊接处存在的残余应力也比较大，所以很容易产生缺陷，所以在对船体焊接时，这类接头的焊接一般也都是使用全焊透的方法。

　2.2.2接头焊接原则

船体的接头的选择也是很重要的环节，对零件的整体焊接质量有着重要的意义，在本次设计课题中，主要按照以下几个要求进行选择：

（1）选择合适的接头形式；

（2）另外所选的接头赢满足后期所需金属填充最小；

（3）对船体的重要参数进行选择，例如坡口的角度、钝角、边的高度、根部间隙等参数需要选择大小合适、结构合理，这样能够避免后期的焊接缺陷。

（4）根据国家标准中对中等规格船体焊接接头的强度要求，接头钢材的焊接强度也要保证满足且不小于焊接母材规定的强度范围的最小值；

（5）从整体层面要求，需要后期焊接的焊缝应该保持连续、圆滑且有较少的应力集中；

目前，通过对船体的焊接接头的观察，焊接接头的形式有很多种，其中常见的形式有对接、角接和搭接等。以下就这三种进行简单的介绍：

（1）对接容器内的一切重要部位结构，包括容器主体、封头与筒体等构件的主要连接方式均须采用对接式接头，因为采用对接式接头方式才可使接头处整体的受力比较的均匀，强度也可达到与所用焊接母材本身的标准最大强度基本相当

（2）角接在船体的连接时，一般角接一般出现在接头和壳体的连接处；

（3）搭接搭接式接头主要可用于各种非焊接受压金属部件接头与金属受压材料连接处的连接。包括鞍座，裙座，补强项圈等。

　2.3焊接性分析

根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式： d652166e495244cba3f8af9bf00ac172

将EH36中碳的各化学成分数值分别相应的代入在上式中,通过公式计算后我们还可以由此得出,EH36中的碳当量CE=0.40%~0.46%。

当CE=0.40%～0.60%，钢材中的淬硬化越来越明显，所以表示EH36是最有淬硬化倾向喜好的钢材。但一般当CE含量不一定大于0.5%时,淬硬化效果表现出的差异并不明显,焊接性可以体现出来的效果比较好,但此时也还需要考虑随板厚逐渐增加而必须额外地采取更适当一些的预热等措施。

已知船体板片的最大厚径公差为20mm,在船舶开始进行焊接操作之前,为了尽可能使得焊接中裂纹不会大量出现在船体钢板的焊接处,可以要求提前一周对焊接用材料与焊接母体材料进行充分预热,120~到140℃之间为焊接预热阶段的最一般温度。

　2.4施焊环境

焊接现场若出现以下特殊情况的环境的时候，而且来不及采取有效的防护措施的时候，禁止特殊情况的当场施焊。

①雨天及雪天；

②风速超过8m/s，相当于Ⅴ级风；

③环境温度在-5℃以下；

④相对湿度在90%以上。

特别要特别指出一点的情况是,焊接后的海水相对于环境湿度值和海水相对的环境温度值都还应当要在焊缝距离船体表面长度的每500~或1000mm处进行测量以得到才可能更为合理标准。

　2.5预热

一般对船体进行焊接前，需要对焊接部位进行预热，这样做的目的可以有利改善焊接部位金属内部组织，能够有效防止后期冷裂纹的产生并且有利于氢的析出。

热源可使用未经液化气体处理后的液化生化石油气,筒体焊缝一般考虑时采用到的方法是使用条状加热器,而且应尽可能放在焊缝小的坡口的一侧处,定位焊口和临时焊缝的则多采用点状加热器。一般对焊接部位预热的时候，预热温度的选择一般在130℃左右，不低于120℃。

　2.6焊接顺序

完全的大体焊接顺序应当是：首先要焊接纵缝,然后才能焊接环缝;首先应焊接好大坡口面焊缝,然后再考虑焊接小坡口面焊缝。

2.7焊接注意事项

1、坡口处理。由于焊接处的杂质会影响焊接质量，所以在坡口焊接前，需要对其进行必要干燥和打扫处理，需要将四周的水分、油污、杂质进行处理干净。另外还在焊之前还需要进行表面预热处理。预热的温度需要达到130℃左右。

2、本次实验使用到的焊接方法一般采用电弧焊接的工作方式，此种电弧焊接工艺方式其工作弧电流均相对较大、而且焊接保温时间都较长。为有效防止对现场其他重要设备带来的直接影响和为防止现场其他设备对其的直接影响,现场需使用专用的供电辅助设备。

3、层板间的温度。在焊接工艺过程中，层板间温度一般不应当低于120℃。

4、焊接线能量控制。根据焊接的工艺效果评定报告所示，应首先提出一个合理确定的焊接线能量应用的范围，并相应的反映和体现在焊接工艺规程中。

5、碳弧气刨清根与打磨。一般正常情况下，对金属零件表面进行焊接后，或多或少出现焊缝裂纹需要予以补焊和返修工作，这时还需涉及的工作就包括焊缝背面的清根工作和去除缺陷的工作，采取的处理方法通常为碳弧气刨及机械去除缺陷的方法。另外这种方法一般需要使用直流电作为驱动电源，且使用反接的方法进行接线。压缩空气的具体参数要求一般为其流量范围需要在180L/min，压缩时空气压力要求范围一般在0.4～0.6MPa，另外在这种装置设备上均必须保证要附带过滤装置与水分离器，这样做的目的是尽量大的减少压缩空气中的水分。

6、消氢处理。为尽快达到目的使含氢元素被快速且充分有效的排除,为严格防止焊接缝处焊接出现的延迟性裂纹,船体焊缝以及嵌入式接管与船体壳部焊接的对接处焊缝,焊接开始后必须要先立即加热进行焊接后的热消去氢工艺,后热的温度一般约为摄氏200~或250℃,后热冷却时间一般约仅为摄氏0.5~至1h。加热方式和预热方式的处理方法基本上是大体相同的。

2.8焊缝类型

焊接处理方式包括焊条电弧焊处理和埋弧焊处理方式。筒体纵环焊接时，可以使用自动埋弧焊焊接方式。

压力容器焊接中的焊缝通过以上材料的介绍，可知焊接其最主要的分类依据是根据在容器上的受力情况和所处的位置进行的,对于工作条件、直径、壁厚等截然不同的容器类型在同一位置处的焊缝,其类别一般均要求相同,各个类别的各类焊缝,规范应具有不同程度的针对性的安全技术要求规范和工艺质量标准;在连接硬度测定中其焊缝系数取值方法都具有一定的差别。

　第3章焊接工艺以及生产线工艺流程的制定

　　3.1焊接的工艺流程分析

整个船体系统在焊接专机的理论设计过程中，都应当重点注意焊接过程中减少焊接部件的变形，例如采取适当焊接速度进行焊接，选用适当的制造工艺和各种合适形式的焊接工艺和各种合适尺寸的焊接夹具，以尽可能的保证装配尺寸的符合性和统一性

3.2焊接方法

实际工厂的一般生产工艺流程及焊接工作实际状态环境下,采用到的常见焊接常用工艺方式主要就包括了气冷保护焊、氩弧焊、点挤压弧焊、气焊法等的各种典型焊接实际操作与方法,我章将主要对以上这些常见焊接工作方法中的几种具体技术应用原理与工作实例所作详细分析,如下:

　3.2.1氩弧焊

氩弧焊法用于船体外合缝工序。因船体结构的硬度系数相对不够大，故当船体焊接时一般靠母材自熔即可，若在船体外合缝前在1mm以下，采用氩弧焊，可获得稳定且良好的焊缝，能很好地保证船体消音器良好稳定的密封性。因此用于本类船体焊接专机可以采用氩弧焊，但在目前我们可达到的实际设计及应用中，还有几个特别的方面需注意：

①钨极的形状

钨极在焊接工艺开始操作前必须先经过磨光工艺，因为钨极的外观形状对船体电弧的稳定性能等有影响，船体的硬度不够大，因此采用尺寸小的钨丝，这才能让样电弧愈加稳定。如图例1所示，大电流处的焊接要求钨极电阻就会越高，原因不仅是由于它的尺寸大小还包括它的角度，尤其是带有平顶的锥角（如图3.1所示），这样便可使焊接处更加安全稳定，弧柱间的热扩散才相对减少。

04ddbe27de6060917defb6e4510f0bd4 　　末端呈尖锥角末端成平顶角

图3.1大电流焊接时钨极末端形状对弧态的影响

②电流种类和极性的选择

钨极氩弧焊焊接的电流类型主要有三参考下表3.1：

cbd44b7454419932175d089de543b5ba

表3.1材料与电源类别和极性选择

注：△—最佳；○—良好；╳—最差

从表3.1中可以看出,对于船体外体的焊接,因其是由低碳钢材焊接,故要选用直流正极性。

③焊接工艺参数优化

为了保证获得一个良好稳定的船体焊接工艺且质量可靠的合格产品,在船体外体焊接生产工序规程中,我们采用最新的以下船体焊接工序规范:

电流I=120A；气体流量：10L/min;

电弧电压：8v；电弧长度：mm；

焊接速度：00mm/min；钨极直径：1mm。

　　3.2.2气体保护焊

原来我们大多采用纯气保护焊接工艺．但是由于船体属于外观件，其对焊缝外观质量要求相对较高，而船体的材料大多在l～2mm之间，采用纯焊接工艺，就容易产生烧穿等缺陷，所以，选取何种焊接工艺，用来克服这些缺点，就表现的尤为重要。

　　3.2.3点焊

在各种船体的焊接及生产加工中,点涂焊方法主要广泛用于各种船体外体结构的焊接点涂衬塑工艺。由于其焊接

基体材料大多为低碳钢，因此具有良好的焊接性。采用普通点焊机，焊接周期简单。除了应注意焊接零件内部的防

锈工作外,无需特别采取什么特殊焊接工艺措施来获得更令人满意的焊接零件质量。

　3.2.4气焊

气焊一般用于船体表面的补压焊,工艺要求比较的简单,由于成本太高所以使用较少。

　总结

经过这段时间的努力，我终于完成了最后的项目。通过这项研究，我整合了过去两年在大学学到的知识，这对未来的学习起到了连接作用。我还有很多问题要解决。学习永无止境，走到哪里我们就要学到哪里。

参考文献

[1]分析船体设计中的热处理问题[J].孙明英.科技创新导报.2019(35)

[2]简析应力分类和船体设计的发展[J].胡艳兴.化工管理.2018(16)

[3]化工船体设计中的热处理问题分析[J].潘志锋.化工设计通讯.2018(10)

[4]2015年船体设计单位评审中存在问题综述[J].王进杰，朱海鹰，段瑞君.中国化工装备.2016(02)[5]船体设计中热处理问题探索[J].鄂培宏.化工中间体.2015(12)

[6]船体设计及制造过程中降低应力集中采取的几项措施[J].张世有，王霞.黑龙江医药.2005(03)

[7]化工船体设计中对局部腐蚀的考虑[J].王非.化工设备与管道.2000(04)

[8]船体设计常见问题及防范对策[J].胡艳兴.化工管理.2018(18)

[9]船体设计的基本要求及技术进展刍议[J].崔益涛.化工管理.2018(21)

[10]现阶段船体设计的新方法研究[J].吕晓红.化工管理.2015(08)

[11]船体设计阶段热处理技术的应用[J].张旭，赵旸.石化技术.2019(12)

[12]浅析船体设计存在的问题及解决措施[J].杨龙，徐俊峰，朱珠凤.化工管理.2020(03)

[13]热处理工艺在船体设计中的控制要点分析[J].赵岩.化工设计通讯.2020(01)

[14]船体设计制造中的典型问题及对策[J].赵子亮.冶金管理.2019(23)

[15]船体设计及制造常见问题浅析[J].王海军.时代农机.2019(11)

[16]论船体设计中的热处理问题[J].许守龙.装备维修技术.2019(01)

[17]低温船体设计问题分析[J].龚雪.中国金属通报.2018(11)

[18]浅析船体设计中的热处理问题[J].郭凤明.山东工业技术.2019(12)

[19]潼南水电站船体设计探析[J].王志力，贾小平.广东水利电力职业技术学院学报.2019(02)[20]浅谈船体设计的常见问题与解决措施[J].梁思维.南方农机.2019(19)

　致谢

学校的学习生活不仅使我学会书本知识，还有许多的实践技术，更多使我学会如何做人，从课题任务下达到整个课题完成，老师和同学的帮助使我十分的难忘，在完成本次毕业论文课题的过程中遇到了很多棘手又十分困难的问题，每次当我很难进行课题的撰写都会在指导老师的检查中提出，指导老师也从不厌烦的悉心的教导，指出我的错误以及指导我的方向，指导老师就像是在我课题路上如黑夜里的萤火虫给我照明道路方向。在这里我需要深深的对指导老师说声谢谢，是您帮助巩固大学知识，是您让我学会了文档及图纸的格式修改。当然，这一路走来也不缺乏同学的帮助，多少个夜晚和同学在沟通中度过，多少个夜晚和同学在挑灯夜战之中度过，和同学的沟通交流使我更加清晰的认识到课题之中的问题和细节，让我整体的撰写思路更加清晰明了。