深潛器鈦合金框架結(jié)構(gòu)裝配焊接工藝研究

1、深潛器鈦合金框架結(jié)構(gòu)裝配焊接工藝研究孟祥軍，吳學(xué)才，張建欣(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039)摘 要：針對鈦合金構(gòu)架的工藝要求，依據(jù)焊接變形的受力方向，預(yù)測鈦合金型材的變形程度和趨勢，正確計算焊縫的收縮量，制定并實施合理的裝配焊接工藝，保證型材的平面度、垂直度公差和焊接強(qiáng)度，并且保證構(gòu)架的裝配形位公差，采用合理的工藝方法使裝配焊接達(dá)到設(shè)計技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：鈦合金；深潛器框架；裝焊工藝 中圖法分類號：TG 146.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-185X(2008)S3-0036-041 前 言深潛器在進(jìn)行海底科學(xué)探測，深海生物研究、海洋地質(zhì)考察，考古研究等方

2、面具有重要的意義，因此各國都非常重視深潛器的研制，尤以大潛深的鈦合金深潛器研究為重。深潛器鈦合金框架由不同規(guī)格的鈦合金型材焊接而成，本文中鈦合金框架結(jié)構(gòu)件的制作工藝研究，采用新型船用國產(chǎn)Ti75合金材料，目的是為鈦合金深潛器框架結(jié)構(gòu)國產(chǎn)化提供工藝技術(shù)準(zhǔn)備（圖1），以考察國內(nèi)的裝焊技術(shù)工藝水平與俄羅斯工藝水平的差異，并為制定產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)依據(jù)。對于其他用途的鈦合金框架結(jié)構(gòu)件的建造也有重要參考意義。圖1 總體圖Fig.1 The drawing of the frame2 技術(shù)要求1,22.1 分段及意義選取結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的頭部及中部主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造，主要研究型材的組裝、焊接、變形及框架主體的裝

3、配、焊接、變形情況，為制造產(chǎn)品作好工藝準(zhǔn)備。分段的總體尺寸為：分段長3190 mm，分段寬3220 mm，分段高3500 mm。包括橫框架、起吊框架、壓載水箱等主要部件。2.2 材料及焊材Ti75板材，厚度包括4、5、6、8、10、12及20 mm，焊機(jī)采用國產(chǎn)時代逆變WSM-400焊機(jī)。2.3 切口與坡口要求在板材上劃線應(yīng)盡量采用細(xì)記號筆，在焊接熔合面上加工中去除部分上可用劃針劃線并允許打樣沖。板材的下料采用機(jī)械剪切和火焰切割的方法，厚度較大時用等離子切割，必須采取措施避免火花濺落在材料表面上引起氧化和傷痕，切割面用機(jī)械方法或砂輪打磨，然后用電挫機(jī)去除切割面的氧化層及污染物，保證焊接面的清潔

4、度，焊接破口的表面不得有氧化層、裂紋、分層等影響焊接質(zhì)量的缺陷，以保證焊接質(zhì)量。2.4 表面處理及表面質(zhì)量成形后的鈦材表面不應(yīng)有劃傷、刻痕、裂紋、弧坑等缺陷。必要時可進(jìn)行補焊、打磨拋光處理，但修磨的斜度小于1:3，深度小于板材厚度的5%，而且不大于1 mm。拼接板的錯邊量應(yīng)小于板厚的10%，且小于1 mm?？蚣鼙砻孀詈筮M(jìn)行噴砂處理。2.5 型材的形式及裝配焊接要求型材的形式，由板條組合而成的型材的截面形狀分為I形、T形、L形、和形鈦合金型材構(gòu)件，板條之間打坡口采用TIG焊接。焊高根據(jù)圖紙對不同位置的要求進(jìn)行施焊。型材的腹板與面板或角型材的兩直角邊的垂直度誤差應(yīng)不大于腹板高度的1%，最大不超過1

5、.5 mm；I形和槽形型材的兩個面板的平行度誤差不大于面板寬度的2%，最大不超過1.5 mm。組焊型材如果不夠長度，允許拼接，面板與腹板的接口應(yīng)至少錯開100 mm，以提高拼接型材接口的強(qiáng)度，及預(yù)防因焊縫集中造成的應(yīng)力變形。型材總長度范圍內(nèi)焊后的不平度誤差不超過2 mm。裝配焊接型材時，制作工裝以便裝配定位和防止焊接變形。發(fā)生焊接變形應(yīng)進(jìn)行矯正，合格后才能進(jìn)行裝配?？蚣芎附雍蟮钠叫卸群痛怪倍日`差不超過2 mm，對角線誤差不大于3.5 mm，底縱桁、中縱桁、頂縱桁的上下表面平面度誤差不超過2 mm?？蚣芸傞L度誤差2.5 mm，總寬度誤差2.5 mm，總高度誤差2.5 mm。2.6 焊接工藝要求2

6、.6.1 施焊環(huán)境（1）焊接在空氣清潔、無塵、無煙的環(huán)境下進(jìn)行。（2）焊接場地為獨立的焊接車間，無其他金屬污染。（3）在下列情況下禁止施焊：A）風(fēng)速1.5 m/s；B）相對濕度80%；C）焊件溫度5 ；D雨雪天氣室外作業(yè)。2.6.2 焊前準(zhǔn)備（1）焊絲和材料保持干燥，相對濕度不大于65%。（2）焊接坡口用機(jī)械加工的方法或用電挫機(jī)除去表面氧化膜，焊前用白綢布沾丙酮脫脂清潔，如4 h未施焊，焊前應(yīng)重新清洗。（3）焊前裝配定位點焊，在焊接條件、工藝、裝配尺寸檢驗合格的條件下進(jìn)行施焊。（4）在熱量較大的情況下，必要時在鈦板下加紫銅冷卻墊板冷卻。（5）對于焊在結(jié)構(gòu)上的裝配定位工裝、夾具、防止變形約束工裝

7、、裝配手持工裝等附件，盡量避免影響焊接施工，采用相同材質(zhì)的材料與焊接工藝施焊，去除后留下的焊疤打磨與母材平齊。2.6.3 焊絲、材料、焊接保護(hù)（1）焊絲與板材在施工前進(jìn)行試樣焊接工藝評定，施焊的條件、工藝要求與實際焊接的條件要求相同，并進(jìn)行射線探傷、金相檢測合格，在焊縫的塑性、抗拉強(qiáng)度、耐蝕性與母材退火狀態(tài)下性能相同。焊接性能良好，能滿足使用要求的前提下施焊。（2）焊絲根據(jù)JB/T4745規(guī)定，選取Ti75焊絲，焊絲直徑為1.2、2.5、3.2 mm，不同牌號材質(zhì)焊接材質(zhì)選取按強(qiáng)度等級較低的母材選擇焊絲。（3）焊絲保持清潔、干燥，端部氧化部分施焊前切除，表面氧化酸洗后使用。（4）保護(hù)用氬氣符合

8、GB/T4842規(guī)定，純度高于99.99%。（5）根據(jù)焊縫的形式、位置制作保護(hù)罩，并經(jīng)過工藝評定，保護(hù)效果良好的條件下使用。（6）焊縫的正面和背面在焊接時都要進(jìn)行氬氣保護(hù)，背面用墊板的焊縫除外。（7）選用鈰鎢極，鎢極頭的直徑保證足夠的氬氣流量，并磨尖后的鎢極頭能達(dá)到結(jié)構(gòu)焊縫。2.6.4 焊縫外觀要求與檢驗（1）焊縫與熱影響區(qū)表面不應(yīng)有裂紋、未熔合、氣孔、弧坑、夾雜、飛濺物等缺陷，焊縫外不應(yīng)該有起弧打傷點，焊接后用10倍放大鏡100%檢測，并用著色探傷方法對焊縫進(jìn)行100%檢測，對于焊縫內(nèi)部質(zhì)量按無損檢測JB4730有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，100%射線檢測的合格標(biāo)準(zhǔn)不低于級。（2）部件和整體焊接完工后，對

9、所有焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行檢驗，銀白色、金黃色為合格；藍(lán)色、紫色為次之、允許出現(xiàn)在非重要部位；灰色、暗灰色、或白色、黃色粉狀物均為不合格，必須對焊縫進(jìn)行返修。（3）主要焊縫表面與熱影響區(qū)不應(yīng)該有咬邊，非重要部位的咬邊允許返修，但焊縫兩側(cè)的咬邊不可超過該條焊縫長度的10%。（4）對接焊縫的余高，單面坡口時，e1為板厚n的010%，e20.5 mm，如圖2。e2ne1圖2 單面坡口Fig.2 Single groovee2ne1雙面坡口時e1為板厚n的010%，e21 mm，如圖3。圖3 雙面坡口Fig.3 Double groove（5）角焊縫的厚度應(yīng)不小于組成角焊縫兩邊構(gòu)件厚度中較小值的0.7，焊

10、角的高度不小于較薄板厚度，焊縫與母材呈圓滑過渡。2.6.5 焊縫的返修規(guī)定（1）焊縫及熱影響區(qū)的不合格顏色或表面缺陷經(jīng)過打磨后，若母材厚度仍能滿足設(shè)計要求的，可以不補焊，不能滿足技術(shù)要求的必須補焊。（2）需要返修時，其工藝與焊接條件應(yīng)符合正常焊接工藝條件。（3）焊縫同一部位的返修次數(shù)不宜超過2次，如超過2次應(yīng)經(jīng)過技術(shù)人員批準(zhǔn)，做全面檢測達(dá)到合格為準(zhǔn)，對返修部位和次數(shù)進(jìn)行記錄，寫入產(chǎn)品質(zhì)量檔案。3 型材制作及裝配焊接工藝1,23.1 板材下料與預(yù)處理各部件的準(zhǔn)確放樣下料工藝。確定對框架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段、分部件裝配-焊接-矯正、然后整體裝配焊接矯正的制造方案進(jìn)行施工。根據(jù)鈦合金的切割要求，在切割時

11、要求用小火焰、半氧化焰、長風(fēng)線、快速度切割，盡量避免和減少切割時產(chǎn)生的氧化區(qū)面積。對于寬度小于70 mm，長度大于400 mm的方料和特殊形狀的板料，采用氣割下料的方法，其他可進(jìn)行剪切下料的板材采用剪切的方法下料。對方形材料采用直接劃線下料，對于特殊形狀的材料，在計算機(jī)上電子圖板進(jìn)行1:1放樣測量，打印出放樣圖，按放樣圖作樣板劃線進(jìn)行下料。所有板材下料后刷防氧化涂料，在熱處理爐中進(jìn)行加熱至600 保溫60 min退火處理，在空氣中冷卻到正常溫度。然后去除表面防氧化涂料，矯平、以備組裝。3.2 型材的裝配與焊接3.2.1 型材的制作用0.2 mm記號筆或劃針在上下面板上準(zhǔn)確劃出裝配線。然后進(jìn)行腹

12、板和面板的裝配，裝配時注意測量材料的尺寸、相對位置的平面度、垂直度、形位公差等與圖紙及技術(shù)要求相符合。定位焊的點焊點大小要均勻，每200 mm一點，前后左右對稱，保證板材在符合要求的條件下受焊接應(yīng)力的平衡性，達(dá)到焊點與焊接位置對板材之間的互相約束。經(jīng)過交叉、單向點焊方案試驗，效果都能達(dá)到要求（如圖4，圖中黑色粗線段為定位焊點的位置）。焊接方向和焊接順序設(shè)計，對于組裝后的型材面板對面板點焊在一起作剛性固定，按設(shè)計好的焊接順序和焊接方向、適當(dāng)?shù)暮附铀俣冗M(jìn)行焊接。焊接后趁熱用超聲波消應(yīng)儀對焊縫進(jìn)行沖擊消應(yīng)力，達(dá)到消應(yīng)效果后再磨開。基本保證了型材的各項要求。經(jīng)檢驗型材的平面度誤差最大為0.8/1000

13、，俄羅斯焊接型材的平面度誤差最大為1.2/1000。Vertical viewVertical viewSectionalSectional12341234121112151678171856131491012345634109781112131415161718圖4 型材組裝定位焊點焊位置與點焊順序方案Fig.4 Spot welding position and sequence in profiles assembly: (a) crossed spot welding;(b) one way spot welding3.2.2 T型材的制作T型材的劃線、裝配、焊接方向、焊接順序參照H型

14、材的方案。焊接時將T型材成對點焊作剛性約束，然后進(jìn)行焊接，焊接后用超聲波消應(yīng)儀消應(yīng)力。3.2.3 型材的制作型材在焊接過程中和焊接后的變形都比較明顯，應(yīng)該特別注意?？紤]到面板受角焊縫的拉力比平焊縫拉力而產(chǎn)生的變形明顯，而且一旦出現(xiàn)收口變形，矯正的難度比較大，先焊外面的平焊縫，后焊內(nèi)側(cè)的角焊縫。3.2.4 L型材的制作L型材的制作基本上是參照型材的制作方法進(jìn)行的，效果都比較好。 3.2.5 部件的裝配與焊接部件結(jié)構(gòu)放樣：根據(jù)對圖紙部件的分解，按照結(jié)構(gòu)的特點，從長度方向把構(gòu)架分為幾個剖面部件，從上下方向分位上、中、下三個縱桁部件。在計算機(jī)電子圖板上作各部件的裝配放樣圖。配裝型材：在平臺上按裝配放樣

15、圖用劃針劃出放樣線，把型材放在線上，劃出要截取的長度和角度。然后截取配好的尺寸，打磨清理干凈截取面。裝配部件：在平臺放樣圖上裝配部件，按公差要求點焊牢固，并根據(jù)結(jié)構(gòu)加裝防止變形的工藝工裝。焊接部件：由于對接焊縫都比較短，容易產(chǎn)生彎曲，因此在焊接時采取了先焊腹板后焊面板，對稱焊的焊接原則，對稱打底，對稱蓋面，兩遍焊成。3.2.6 整體裝配與焊接整體結(jié)構(gòu)放樣：根據(jù)對圖紙結(jié)構(gòu)在計算機(jī)上測量各部件的相對位置尺寸，確定裝配基準(zhǔn)線的尺寸，計算出檢測相關(guān)角度、垂直度、長度、寬度的數(shù)值，以備裝配定位和檢測。定位工裝與裝配固定：根據(jù)需要設(shè)計制作定位工裝，在平臺上確定工裝的位置；利用工裝保證上、中、下3個平面的平

16、面度、相對位置、并切用壓板作剛性固定?？傮w裝配：根據(jù)框架的寬度和高度及焊縫的收縮量確定裝配的尺寸，從此結(jié)構(gòu)上分析，裝配定位時每條焊縫予留了1.52 mm的收縮量。先把底縱桁面固定在平臺上，利用工裝上的重錘線，找到構(gòu)架的中心線，確定上縱桁面與底縱桁面的相對位置，定位裝配上縱桁面的位置，利用工裝上的螺栓調(diào)整到位置，并用壓板壓緊，作剛性固定。根據(jù)總裝放樣圖，確定橫向主要基準(zhǔn)裝配面，先裝配該剖面，其他依次類推，檢查裝配位置無錯誤后點焊牢固?？傮w焊接：框架為對稱結(jié)構(gòu)，焊接應(yīng)該采取對稱焊的焊接原則。主體焊接由4個焊工從4個角同時焊接主要立柱與上下縱桁面的連接位置，先焊立焊縫，后焊平焊縫和仰焊縫。對于其它焊

17、縫原則上仍采用對稱焊的方法，使整體結(jié)構(gòu)處于受力平衡狀態(tài)。消應(yīng)力處理：每焊接1遍用超聲波效應(yīng)儀對焊縫進(jìn)行3遍消應(yīng)處理，消應(yīng)后焊縫經(jīng)檢查合格，方可拆下工裝和壓板。整體修形：構(gòu)架焊接焊縫與結(jié)構(gòu)尺寸檢驗合格后，對整體外形進(jìn)行修整，對于弧坑、壓痕、缺凹、高點、毛刺、焊縫及熱影響區(qū)氧化膜等外觀缺陷進(jìn)行修補打磨拋光處理。合格后進(jìn)行噴砂處理。4 結(jié) 論此次工藝試驗是成功的，首次研制的鈦合金深潛器框架結(jié)構(gòu)焊接型材，在裝焊工藝上獲得了良好的控制。通過研究在型材和框架尺寸控制以及外觀質(zhì)量方面超過了俄羅斯的制造水平。根據(jù)目前的工藝水平，我們完全有能力制造深潛器鈦合金框架結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到甚至超過了俄羅斯的制造工藝水

18、平。參考文獻(xiàn) References 1 Huang Jiahu(黃嘉琥). Ti Alloy Chemical Equipment(鈦制化工設(shè)備)M.Beijing: Chemical Industry Press, 20022 Chinese Mechanical Engineering Society(中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會). Welding Handbook(焊接手冊)M. Beijing: China Machine Press, 2003Study on Assembly Welding Technology for Ti Alloy Frame of SubmersibleMeng Xiangjun, Wu Xuecai, Zhang Jianxin(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China)Abstra