船舶构件安装和焊接工艺设优秀论文

1、船舶构件安装和焊接工艺设 学生：李经平 指导教师：王燕 机械与材料学院 摘要： 船舶构件是船舶的主要支撑构件，有成千上万个零件构成。构件的装 配与焊接是造船的主要任务之一，船体装配和焊接的工作量，占船体建造总工 作量的 75以上，其中焊接又占一半以上。故焊接是造船的关键性工作，它不 但直接关系船舶的建造质量，而且关系造船效率。本课题首先介绍了国内外船 舶焊接技术现状及最新进展情况，论述了船舶建造过程中的船体装配与焊接主 要工序，目前主要应用的焊接方法 , 并研究了此技术在现代造船业中的合适的焊 接方法，焊接材料，焊接工艺参数，制定了合理的焊接工艺，因此证明本文所 设计的焊接工艺是适用的，最后并

2、制定了工艺卡。 关键词： 船舶构件 装配 焊接工艺设计 、八 、- 前言 近代造船技术的发展过程是由手工操作向机械化、自动化迈进的过程。自 50 年代起，船体建造用焊接取代了铆接，使船体建造由过去长期使用的零星散 装方式改进为分段装配方式，大大提高了造船效率。焊接方法从全手工焊接发 展为埋弧自动焊 （见埋弧焊） 、半自动焊、电渣焊、气体保护电弧焊 。自 60 年代中 期起，又有单面焊双面成形、重力焊、自动角焊以及垂直焊和横向自动焊等新 技术。焊接设备和焊接材料也有相应发展。由于船体结构比较复杂，在难以施 行自动焊和半自动焊的位置仍需要采用手工焊。结合焊接技术的发展 , 自 60 年 代起, 在

3、船体部件和分段装配中开始分别采用 T 型材装焊流水线和平面分段装 焊流水线。 T 型材是构成平面分段骨架的基本构件。平面分段在船体结构中占 有相当的比重，例如在大型散装货船和油船上，平面分段可占船体总重的50 以上。平面分段装焊流水线包括各种专用装配焊接设备，它利用输送装置连续 进行进料、拼板焊接以及装焊骨架等作业，能显著地提高分段装配的机械化程 度，成为现代造船厂技术改造的主要内容之一。 充分认识船舶构件在船舶建造中的作用，合理选择船舶结构用的材料，利 用合理的焊接方法，制定焊接工艺，同时指导生产实践，作为船舶建造的生产 指导书。 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 “产品的质量是企业的生命

4、” , 良好的船舶建造质量是保证船舶安全航行与作 业的重要条件 , 船体的结构强度要求焊缝保证一定的强度 ,能承受强风浪的冲击 , 如果焊接接头存在严重的焊接缺陷 ,在恶劣的环境下 , 就有可能造成部分结构断 裂。甚至引起断船沉没的重大事故 . 据对船舶脆断事故调查表明 ,40%的脆断事故 是从焊缝缺陷处开始的 笔者所接触的船厂 , 在造船质量方面存在的主要问题就 是焊缝质量的缺陷 .因此,焊接质量检验尤为重要 , 做到及早发现焊接缺陷 ,对焊 接接头的质量做出客观的评价。把焊接缺陷限制在一定的范围内 , 以确保船舶航 行安全和水上人命财产安全 焊接缺陷的种类较多 , 按其在焊缝中的位置不同

5、, 可分为外部缺陷和内部缺陷。 常见的焊接外部缺陷有 : 焊缝外形尺寸和形状不符合要求 !咬边!焊瘤! 弧坑! 表面 气孔!表面夹渣及焊接裂纹等。内部缺陷有 :气孔!夹渣!焊接裂纹 !未焊透等 在 船舶建造过程中 ,影响焊接质量的因素很多 , 如钢材和焊条质量 ,坡口加工和装配 精度, 坡口表面清理状况及焊接设备 !任何一个环节处理不当，都会产生焊接缺 陷, 影响焊缝质量。但是最主要原因也是最可以人为控制的焊接工艺参数，应当 合理选择焊接工艺，不断开展焊接工艺评定工作，提升船舶构架以及船体的连 接强度。 1.2 船舶相关焊接技术发展情况 船舶焊接技术是船舶工业的主要关键工艺之一，船舶焊接技术的

6、进步推动 了造船技术的发展，同时造船技术的发展也促进了焊接技术的发展。 1.2.1 世界船舶焊接技术的现状和发展方向 进入新世纪以来，世界经济稳定增长，航运业持续发展，世界造船市场呈 现兴旺势头；科学技术也在飞速发展，许多先进制造技术在造船领域得到应 用，现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方 向发展。在计算机技术快速发展的今天，CAD/CAM技术得到广泛的应用，目前 世界上许多重要的造船企业都在加快 CIMS技术的开发和应用，世界上几乎所有 重要的企业都在不同程度地推进本企业内部的网络化建设。 在日本、韩国的先 进造船企业中，对现代生产管理模式探索和创新的效果非常明

7、显，造船模式正 在由集成制造模式向敏捷制造模式迅速演变，形成“空间分道、时间有序”的 顺畅工艺流程。 现代造船已使用部分自动化设备来代替人操纵各种机械，广泛运用了数控切割 技术，美国、英国、芬兰等许多国家在船舶建造中都相继不同程度的采用了自 动化装备和机器人。 此外，自动焊接技术、成组制造技术和柔性制造技术等都 在广泛应用。 焊接技术也随着造船技术不断进步，焊接技术的实力决定了一个地区的造 船能力。世界船舶焊接技术沿着高效、自动、智能化发展。纵观国内外造船企 业的造船模式，主要流程基本相同，为零件一部件一分段一总段一船台（坞） 搭载。于此相对应，所采用的焊接技术也大同小异。在部件、分段、总段等

8、中 间产品的生产制造阶段采用自动化程度很高的大型生产焊接装置，在船台搭载 时采用单机自动化装置。 从小合拢到大合拢，从平面到曲面，日本的船厂均实现了高效自动化焊 接。NKK津船厂的小合拢采用各种轻便型自动水平角焊机及门架式多关节机器 人焊接低构架肋板框架、平板部件 ；构架的肋板与纵桁之间以及与纵骨之间的 角焊缝；构架与底板的水平角焊缝则采用门架式机器人或多台小型机器人进行 井字形构件内水平和立向自动角焊 ；曲面分段外板的拼接，在大型焊接变位 机上采用小车或双丝串列摆动单面MAG自动焊进行焊接，以取代传统的FAB 法，或采用半门架 4 轴数控机器人进行焊接，而三维曲板的单面焊和纵横构件 在曲形外

9、板上的装焊尚在研究中 ；大合拢除舷侧旁板平直部分对接缝采用垂直 气电焊外，还采用横向自动气电焊。船体内底板和上甲板对接焊采用 FAB 单面 埋弧自动化焊，或采用移动式轨道或无轨道焊接机器人进行单面MAG 对接焊。 搅拌摩擦焊技术在日本许多船厂也获得应用。三井造船厂于 2004 年将搅拌摩 擦焊技术用于高速货船上层建筑的建造，该船已投入使用多年且性能良好。日 本 Sumitomo 轻金属公司采用搅拌摩擦焊技术生产铝质蜂窝结构板件和耐海水 的板材。其中耐海水的板材由5块宽度为250mm的5083铝合金挤压板连接 成一块尺寸为1250 mm X 500 mm的铝合金板。由于焊缝根部和背面具有良 好的

10、平整性而被用作船舱的壁板。 韩国造船工业在政府的大力支持和自身的努力下，通过引进国外先进技术 和自主研发进行造船装备的自动化改造，从而迅速崛起。大宇重工的玉浦船厂 从新 1995 年起通过采用含有机器人的型平面分段生产线等各种现代化造船装 备，大 大提高了劳动生产率，走了一条不依 靠 扩 充 造 船 设 施 就 能 提 高 造 船能 力 的 捷 径。 三 星 和 现 代 两 大 集 团，在船厂的平面分段流水 线的拼板、骨材装焊等环节也应用了机器人，以提高生产效率。三星重工采用 爬 行 式 机 器 人 自 动 焊 接 油 轮 侧壁。大宇造船厂联合韩国釜山国立 大学采用离线编程、虚拟技术将焊接机器

11、人应用于造船工业中。韩国 Pukyong 国立大学的 Kam Bo 等人研制了一种体积小巧、质量轻的轮式智能焊接机器 人，已用于船体 井字形构件的焊接。 美国船厂从 20 世纪 80 年代起就将机器人列为船厂的适用技术。在 新技术开发和应用方面，美国一直走在世界前列。由美国海军资助，美国宾夕 法尼亚州立大学联合 国 家 钢 铁 与 造 船 公 司 开 发 的 激光 -MIG 复合 焊技术成功地应用于 T-AKE 级战斗后勤补给舰管系的焊接，为造船厂节省 50 万美元的成本。美国海军制造技术（Man Tech资助工程一一移动式激光电弧复 合焊系统（ Mobile Hybrid Laser Arc

12、 Welder ）开发时间从 2007 年 11 月 到 2008 年 12 月，开发出一套搭载激光复合焊接系统的移动设备，用船厂角 焊缝的焊接。如图 1 所示，此外，美国海军 ManTech 工程对先进两栖攻击艇 中 2519 铝合金采用搅拌摩擦焊也取得了成功。 图 1 移动式激光 -电弧复合焊接系统在船舶焊接中的应用 1.2.2 国内船舶焊接技术的现状及发展方向 经过 50 多年的发展，中国已成为世界造船大国。目前，我国造船焊接 工 艺 已 发 展 到 40 多 种典型焊接技术除了在散货船、油船、集装箱船等 主力船型上应用之外，还在液化天然气船（ LNG、液化石油气船（LPG、海 洋浮式生

13、产储油船（ FPSO 、超大型油船（ VLCC 、军用船等高技术、高附加 值船舶上获得广泛应用。 从最早的国外引进到自主开发，平面分段流水线已成为我国大中型船厂不 可 或 缺 的 生 产 线， 包 括平板拼接、构件角接等焊接工 位， 主要采用 多 丝埋自动焊和多电极 CO2 气保护焊等工艺，生产效率很高，图 3 为外高桥 造船有限公司双丝埋弧焊焊接实况 . 图2外高桥造船有限公司双丝埋弧焊焊接实况 各种形式的焊接接头主要包括船体结构内部和舷部外侧各个部位的五种焊 缝类型（垂直面的立向对接焊、横向对接焊、垂直立角焊、水平面对接焊、水 平角焊 。自 九五 以来，我国专业从事船舶焊接工艺研究的单位针

14、对这五种 类型焊缝开展了相应的机械自动化焊接工艺和设备的开发和应用研究。 2船舶建造工序 2.1造船流程的演变 2.1.1系统造船流程 船体 下料 分段 制造 船台 合拢-* 码头舾装 涂装 管子制造 舾装件制造 机械设备订购 油漆采购 *下水 交船 船台舾装 涂装 系泊试 验试航 2.1.2区域造船流程 分制 管 制 管 集- （仅上层建 下 水 总 舾 分段舾 涂 船台舾 涂 nA系泊试验试航 2.1.3总装造船流程 分 分段 丄分 丄总组舾 丄船. 制造 装涂 丁总 丁装涂 Tl 油 采 单 （模 组 油 集 船 下 管 制 管 集 舾 装 制 舾 装 集 机械设备订 下水 系泊试验试航

15、 头涂MM 码装皿 2.1.4基本建造模式 2.2船体装配 装配就是将加工合格的船体零件组合部件、分段、总段，直至船体的工艺 过程。 船体装配分为船体结构预装焊和和船台装焊，其中船体结构预装焊又分为 部件装焊、分段装焊和总组装装焊三道工序。 船体结构预装焊所使用的主要设备有起重、电焊、气割和压缩空气设备， 以及管道、平台和胎架。其中平台和胎架试主要工艺设备。 一、平台的种类和用途 平台一般是由水泥基础和型钢、钢板等组成的具有一定水平度的工作台， 分为固定式和传送带式两大类。 1 .固定式平台 1 ）蜂窝平台 由钢筋混凝土基础、型钢框架和开有蜂窝状圆孔的铸铁平板组成，如图所 示。 2）钢板平台

16、又称实心平台，其结构如图所示 3）型钢平台 又称空心平台，它与钢板平台的区别仅在于其表面不设钢板，如图所示 4）水泥平台 这种平台是将扁钢或型钢按5001000mm的间距平行地埋在钢混凝土地坪中而 构成的，并要求钢材表面与平台表面平齐，如图所示。 2传送带式平台 1 ）链式传送带平台如图所示 2）辊式传送带平台如图所示 3）台车式平台如图所示 4）圆盘式传送带平台 、胎架的种类和用途 胎架是制造船体曲面分段和曲形立体分段的形状胎模和工作台，它应具有足 够的结构刚性和强度，主要作用是支承分段保证分段曲面形状和控制其装焊变 形。种类如下 : 1 专用胎架 专用胎架是专用某种分段使用的，如底部、舷侧

17、、甲板分段和首、尾柱分段。 1 ）单板式胎架 2）桁架式胎架 2通用胎架 1 ）框架式活络胎板胎架，如图所示 2）套管支柱式胎架，如图所示 三、胎架基面和胎架型值的确定 1. 胎架基面的确定 胎架基面是用来决定胎架工作曲面型值的基准面。根据它与肋骨剖面和基线面 的相对关系，通常分为以下几种： 1 ）正切胎架（见下图） 2）正斜切胎架（见下图） 3）斜切胎架（见下图） 3）斜斜切胎架（见下图） 2. 胎架型值的确定 首先在肋骨型线图上作出胎架基面的投影线，再根据胎架支柱间距在胎架基 面投影线上求出支柱点，然后过这些支柱点沿胎架基面投影线垂直方向，量取 到对应肋骨线的距离，并减去板厚，即得到胎架的

18、高度型值。 3. 胎架结构形式的确定 1）军品或精度要求高，批量大的民品宜选刚性好的单板式胎架； 2）一般产品、单船建造的分段可选用衍架式胎架； 3）型线曲率小的分段可用支点式胎架； 4）尽量扩大通用胎架的使用范围。 4. 胎架制作 1）在平台上划线 2）竖立支杆 3）作水平面 4）量型值 四、船体结构预装焊工艺 船体结构预装焊包括部组件装焊、分段装焊、大型分段或总段的组装等工作内 容。 1. 分段装焊工艺 1.1 分段的类型 分段是由零、部件组装而成的船体局部结构。 分段的种类很多，按其外形特征大致可分为以下几类，如图所示： 1）平面分段 2 ）曲面分段 3）半立体分段 4）立体分段 4）总

19、段 2. 分段装焊工艺的基本内容 1）选择分段装配基准面和工艺装备； 2）决定合理的装焊顺序； 3）决定合理的焊接程序； 4）提出施工技术要求。 3. 分段建造方法 1）按装配基面分类，如图所示： （1）正造法 分段建造时的位置与其在实船上的位置一致。 （ 2）反造法 分段建造时的位置与其在实船上的位置相反。 （ 3）侧造法 分段建造时的位置与其在实船上的位置成一定的角度或垂直。 2）按构件安装顺序分类 （ 1）分离法 如图所示 2）放射法 如图所示 3) 插入法 如图所示 ( 4)框架法 如图所示 4. 典型分段装焊工艺 1) 甲板分段装焊工艺如图所示 2) 双层底分段装焊工艺 如图所示 表

20、是该分段正造法的装焊工艺过程。 分段装焊的技术要求 1)检验胎架的中心线是否垂直于肋骨检验线，以保证分段划线和装配的准确性； 2)纵、横骨架的划线 , 应先划分段中心线和肋骨检验线，再划其他安装线； 3) 板列和胎架应拉牢贴紧，其间隙应小于3mm拉马与胎架之间的定位焊，如图所示; (4)分段两端大接头处的焊缝应留出 200-300mm不焊，以提高大接头的柔度; ( 5)当分段的基面与内部构件不垂直时，应保证其相对位置的正确性; ( 6)型钢构件的定位焊，应焊在型钢的内侧以便在型钢外侧进行焊接; ( 7)分段装焊完工后，应划出分段轮廓线和检验线，以便余量切割和船台总 装; ( 8)吊环应设置在主

21、要构件交叉处，否则应作临时加强，应保证吊环的焊接质 量，避免发生吊环事故; ( 9)对于控制船体重量有特殊要求的分段必须进行分段称重; ( 10)纵横骨架的连接须平齐，以便板与骨架能紧密贴合 6. 总段装焊工艺 总段是指主船体沿船长方向划分的其深度和宽度等于该处型深和型宽的环形立 体段。 典型的总段有首尾总段，上层建筑总段等。通常，总段制造有以下两种： ( 1)分段建造法 ( 2)整体建造法 1) . 船中总段装焊工艺 如表所示是按第一种方法进行船中总段装焊的一般工艺过程。 2) . 首尾总段装焊工艺 一般而言，首尾总段型线曲率变化大底部较瘦削为了便于施工常采用整体建 建法。 托顶分段 3)

22、船台装配方式 船舶总装方式的建造法有总段建造法、塔式建造法和岛式建造法。 1. 总段建造法 首先将船中部的总段吊到船台上定位固定，然后依次吊装前后的相邻总段， 如图所示。 2. 塔式建造法 建造时以中间偏后的底部分段为基准分段，先吊上船台定位固定，然后向首 尾和两舷，自下而上依次吊装个分段，如图所示 3. 岛式建造法 将船体划分成23建造区，每个岛选择一个基准分段，按塔式建造法的施工 方法同时进行建造，岛与岛之间用嵌补分段连接起来。 划成两个建造区的称为两岛式建造法，如图 5-50 所示；划成三个建造区的称 为三岛式建造法。 四、船台装焊工艺 塔式建造法的船台装焊顺序 : （1）吊装基准分段；

23、 （2）吊装基准分段上的仓壁分段和前后的底部分段； （ 3）吊装舷侧分段，向前后方向继续吊装底部分段和舱壁分段； （ 4）吊装甲板分段，继续吊装底部分段、舱壁分段、舷侧分段和甲板分段。对 已形成环形船体段部分，进行分段大接缝的焊接； （ 5）继续向首尾方向吊装底部分段、舱壁分段、舷侧分段和甲板分段，继续对 装配完工的分段大接缝进行焊接，并对分段大接缝已施焊结束的舱室开展舾装 作业； （6）吊装首尾分段，继续完成分段大接缝的焊接工作和舱内舾装作业； （ 7）吊装及焊接上层建筑，继续进行舾装作业。 根据上面的图标可知船台装配的施工流程，现做如下的分析： 1. 分段在船台上的定位分析 2. 分段大接

24、头划余量线 切割及其固定 3. 船台装配的焊接工作 4. 上层建筑的安装顺序问题 3. 船舶结构和焊接 3.1 船体焊缝布置 1）船底结构 由下列部件构成：肋板、中内龙骨、旁内龙骨、舭肘板等； 2）舷侧结构 由下列部件组成：肋骨（主肋骨、中间肋骨、甲板间肋骨）、 强肋骨、舷侧纵桁 （ 3）甲板结构 由下列部件组成：甲板纵骨、甲板纵桁、强横梁、肘板 （ 4）舱壁结构由下列部件组成：舱壁板、舱壁骨架：扶强材（用不等边角 钢、 T 型材）、桁材（焊接 T 型材或折边板），或为槽型舱壁 （ 5）艏端结构 由下列部件组成：扶强材、上甲板、制荡舱壁、强胸横梁、舷 侧纵桁、中内龙骨、强肋骨、肋骨、升高肋板、

25、艏柱： （ 6）艉端结构 由下列部件组成：艉柱、强胸横梁、舷侧纵桁、中内龙骨、强 肋骨、扇形肋骨、升高肋板、制荡舱壁、下甲板、横舱壁、艉尖舱壁、支柱、 托机舱平台 （ 7） 上层建筑 由下列部件组成：船楼结构：两侧壁、前后端壁、甲板板、 横梁、肋骨、纵桁、纵骨、扶强材，甲板室结构：纵向围壁、前端壁、后端壁 甲板及骨架组成： （8）其他结构：基座结构、轴隧结构、舷墙、档浪板和护舷材。 中、小组立工程中的主要焊接接头 图中 1_平板对接 2_ 加强筋角焊 3 纵骨的角焊 4 大拼板对接 5 纵骨的角 焊 6 横向构件槽口角焊 7 双层底舱内部 8 曲面拼板对接 9 曲面肋骨肋板 角焊 1船体外板对接2内底板对接（纵向）3 内底板对接（横向）4 傍板对接 5 肋骨隔板对接6 舱底边隔板对接7上甲板对接（纵向）8上甲板对接（横 向） 9内底板上与之相关联的角焊10 纵骨对接 可以看出，船体构件的一般连接为对接，角接结构。 3.2 焊接工艺要求 3.2.1 焊接坡口型式及加工尺寸应按 Q/SWS 40-001.2-2003 船体结构焊接与坡口型式选 用规定进行。安装精度应符合 Q/SWS 60-001.2-2003 船舶建造质量标准