船體經(jīng)濟(jì)型角焊縫的設(shè)計(jì)

余 瑋

(中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200135)

船體經(jīng)濟(jì)型角焊縫的設(shè)計(jì)

余 瑋

(中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200135)

為使船舶雙面交錯(cuò)角焊縫既符合船舶規(guī)范的規(guī)定，同時(shí)又使焊料和焊工最為節(jié)省，通過對(duì)規(guī)范給出的雙面交錯(cuò)角焊縫的焊接系數(shù)、焊縫長(zhǎng)度、焊縫節(jié)距和焊腳高度等計(jì)算參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，將雙面交錯(cuò)焊改為雙面連續(xù)焊的方法，可以設(shè)計(jì)出最佳的經(jīng)濟(jì)型焊縫。對(duì)比表明，經(jīng)濟(jì)型焊縫具有顯著的節(jié)能效果。

焊縫設(shè)計(jì)；雙面交錯(cuò)；角焊縫；圓整取值；優(yōu)化調(diào)整

船體角焊縫占全船焊縫的80%～90%[1]，角焊縫的優(yōu)化，無疑將對(duì)焊接的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。在焊縫的設(shè)計(jì)方面，有很多值得探討的問題[2]。雙面交錯(cuò)角焊縫設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)焊接符號(hào)表達(dá)錯(cuò)誤，若按焊縫符號(hào)施工將留有一定的隱患；更多的問題是焊縫節(jié)距選擇不當(dāng)，造成較大的浪費(fèi)，徒增造船成本。針對(duì)上述2種問題進(jìn)行改進(jìn)分析。

1 焊縫的結(jié)構(gòu)形式及焊接符號(hào)應(yīng)正確地表達(dá)

雙面交錯(cuò)間斷角焊縫的結(jié)構(gòu)形式及焊接符號(hào)的表達(dá)，應(yīng)分別滿足《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》[3](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)、《對(duì)焊縫設(shè)計(jì)和船舶標(biāo)準(zhǔn)》[4](以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)對(duì)焊接符號(hào)的規(guī)定要求，《規(guī)范》和《標(biāo)準(zhǔn)》的綜合要求參考圖1、2。

1.1 示圖的注釋

圖1、2取自《規(guī)范》第2篇，圖2的表達(dá)式取自《標(biāo)準(zhǔn)》附錄,圖中字符的意義如下。

圖1 雙面填角焊

圖2 交錯(cuò)間斷角焊縫K-lZ(e)

h——焊喉厚度，mm；按《規(guī)范》§1.4.4.2(1)規(guī)定：h=ωτtp/dmm；

K——焊腳高度，mm；按《規(guī)范》§1.4.4.2(2)規(guī)定：K=1.414h；

ωτ——焊接系數(shù),具體數(shù)值見《規(guī)范》表1.4.4.2；

tp——圖1中t1、t2較薄一塊板的厚度，mm；

l——每節(jié)焊縫的長(zhǎng)度，mm，不小于75 mm；

d——焊縫節(jié)距，mm；

e——同一側(cè)焊縫之間的間距，mm；

c——雙面焊縫之間交錯(cuò)的間距，mm，c=(e-l)/2，按《規(guī)范》表1.4.4.1-4的規(guī)定，c不大于150 mm。

1.2 角焊縫焊接符號(hào)的形式及釋義

《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)雙面角焊縫焊接符號(hào)規(guī)定的結(jié)構(gòu)形式及意義如下，其中的K、l、e要用數(shù)字(mm)代替。

K/K為雙面連續(xù)焊的角焊縫，其焊腳高度為K；K-lZ(e)為雙面交錯(cuò)間斷焊的角焊縫，其焊腳高度為K、焊縫長(zhǎng)度為l、同一側(cè)焊縫間距為e。

1.3 焊縫的焊接符號(hào)應(yīng)按《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行表達(dá)

以實(shí)際設(shè)計(jì)焊腳的高度K=5 mm、每節(jié)焊縫的長(zhǎng)度l=75 mm、焊縫的節(jié)距d=150 mm的雙面交錯(cuò)間斷焊的角焊縫為例，從上述釋義及圖2可以看出，該焊縫正確的表達(dá)應(yīng)為5-75Z(75)。但現(xiàn)有不少的設(shè)計(jì)均錯(cuò)誤地表達(dá)成5-75Z150。因《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定其Z后表述的是同一側(cè)焊縫之間的間距e，并不是焊縫的節(jié)距d，故這種表達(dá)是錯(cuò)誤的。假如認(rèn)為該表達(dá)是丟了括號(hào)的話，就會(huì)理解成焊縫長(zhǎng)l=75 mm、間距e=150 mm、節(jié)距d=225 mm的雙面交錯(cuò)角焊縫，顯然這已不是原來設(shè)計(jì)的焊縫。若按此推斷施工，在焊腳高度沒有50%裕度的情況[5]下，將不能滿足《規(guī)范》的要求而且可能還會(huì)留有一定的安全隱患。

2 雙面連續(xù)焊的范圍不能隨意擴(kuò)大

對(duì)船舶需要雙面連續(xù)焊的部位，《規(guī)范》有具體的規(guī)定。規(guī)定表明應(yīng)經(jīng)過權(quán)衡并留有安全裕度，設(shè)計(jì)者沒有必要多慮。如果不經(jīng)優(yōu)化而隨意擴(kuò)大雙面連續(xù)焊的范圍，則等于擴(kuò)大了該區(qū)域相關(guān)焊縫的工作量[1,6]。由計(jì)算可知，對(duì)于原焊喉計(jì)算厚度小于3.25 mm的雙面間斷焊縫改成雙面連續(xù)焊縫后，其工作量至少增加了1倍，由此而多用的焊條及工時(shí)純屬于無謂的浪費(fèi)，故設(shè)計(jì)者應(yīng)特別予以注意。

3 焊腳高度不能過分偏大的圓整取值

對(duì)于角焊縫焊腳高度K的最終取值，不少設(shè)計(jì)者是將計(jì)算結(jié)果向上圓整成整數(shù)，有的甚至圓整成跳檔的整數(shù)，這樣圓整所增加的材料和工時(shí)不可小覷。實(shí)際上，焊腳高度需要由焊工掌控，選整數(shù)與選小數(shù)沒有原則性的工藝差別。從《規(guī)范》表1.4.4.4(2)對(duì)手工焊規(guī)定焊喉厚度h精度到0.25 mm看，不妨對(duì)焊腳高度K也以0.25 mm作為單元精度，即將1 mm分成4個(gè)級(jí)差只入不舍地晉級(jí)。級(jí)差雖然微小，但每個(gè)級(jí)差增加焊縫的截面積不僅需要焊條堆積，有時(shí)還要增加焊道工序[7]，故該影響還是比較大的。

例如，計(jì)算的K值為4.1 mm，當(dāng)向上進(jìn)檔為4.25 mm時(shí)，焊縫截面積只增加7.45%；當(dāng)向上圓整成5 mm時(shí)，焊縫截面積增加了48.7%；若再跳檔圓整成6 mm，則焊縫截面積增加了114.2%。

又如將計(jì)算K值為4.85 mm向上圓整成5 mm，焊縫截面積只增加6.28%，如果跳檔圓整成6 mm，則焊縫截面積增加了53.05%。這種焊腳高度偏大的圓整，造成的焊接材料和焊接工時(shí)浪費(fèi)不容忽視[8]。

4 角焊縫的節(jié)距應(yīng)優(yōu)化調(diào)整

在《規(guī)范》的表1.4.4.2中，對(duì)不同部位角焊縫的焊接系數(shù)ωτ都有具體的規(guī)定值。從焊喉厚度h=ωτtpd/l、焊腳高度K=1.414h的公式中可以看出，焊接系數(shù)ωτ和tp定量時(shí)，節(jié)距d與焊縫長(zhǎng)度l的比值直接影響焊喉厚度h及焊腳高度K，故d/l的設(shè)計(jì)需要擇優(yōu)而不能隨意取值。

不少設(shè)計(jì)者對(duì)于間斷角焊縫的尺寸，幾乎是千篇一律地固定選取d=150 mm，l=75 mm。對(duì)照?qǐng)D2可以看出，這樣的設(shè)計(jì)相當(dāng)于e=75 mm，c=0，d/l=2，也就是兩側(cè)所有焊縫段的總和等于該焊接件的總長(zhǎng)度(忽略包角焊部分，下同)；如果充分利用《規(guī)范》表1.4.4.1-4規(guī)定圖2中c不大于150 mm的允許條件，同樣在l=75 mm時(shí)取c=150 mm的最大值，此時(shí)的節(jié)距可以達(dá)到d=450 mm，即c=150 mm，e=375 mm，d/l=6。也就是兩側(cè)所有焊縫段的總和等于該焊接件總長(zhǎng)度的1/3。

例如，甲板室次要構(gòu)件與外板的焊接，當(dāng)tp=5 mm時(shí)，其ωτ=0.1，按習(xí)慣模式d=150 mm，l=75 mm即d/l=2.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，K=1.414ωτtpd/l=1.414 mm，但《規(guī)范》表1.4.4.4(2)規(guī)定，hmin不得小于3 mm，因而Kmin不得小于4.242 mm，取K=4.25 mm，則長(zhǎng)度為L(zhǎng)的焊件按d/l=2.0的焊縫總體積V1=18.06Lmm3。如果K值不變，充分利用d/l的極值，則d/l=4.25/1.414/0.1/5=6.0，此時(shí)長(zhǎng)度為L(zhǎng)焊件的焊縫總體積V1=6.02Lmm3。兩者的h值相同，而所需焊縫的體積存在1∶3的關(guān)系，其節(jié)約效益可達(dá)200%，這是絕對(duì)值得重視的問題。

實(shí)際上，正是因?yàn)椤兑?guī)范》有表1.4.4.4(1)對(duì)焊喉最小厚度和最大厚度的限制，才在焊縫的形式及節(jié)距的選擇里潛藏有優(yōu)選的因素，因而產(chǎn)生出優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念。固定d/l=2.0的設(shè)計(jì)與優(yōu)化d/l的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比見表1。

由表1可見，保持焊縫長(zhǎng)度l=75 mm和最小焊喉厚度符合《規(guī)范》的規(guī)定，通過擴(kuò)大節(jié)距d，使h1接近hmin，可取得很好的效益。當(dāng)tp≤7.5 mm時(shí)，最大的節(jié)約比例約有200%；當(dāng)tp>7.5 mm時(shí)，最大的節(jié)約比例約為100%，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

當(dāng)h1計(jì)算值較大時(shí)，可以用焊喉厚度h的最小值為0.27tp或最大值為0.44tp作為限制條件，采取縮小d/l的辦法進(jìn)行優(yōu)化。一般來說，對(duì)于焊接系數(shù)ωτ≤0.27、tp≥12 mm的雙面交錯(cuò)間斷焊縫，可以用限制h=0.27tp來優(yōu)化d/l；對(duì)于ωτ>0.27的雙面交錯(cuò)間斷焊縫，則可以用限制h≯0.44tp來優(yōu)化d/l，同樣都會(huì)取得較好的節(jié)約效益。具體見表2中帶“￥”者。

表1 手工雙面交錯(cuò)間斷角焊縫擴(kuò)大節(jié)距前后的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

注：① 決定hmin時(shí)，還要同時(shí)滿足《規(guī)范》中表1.4.4.4(1)焊喉厚度最小比例值的要求； ②e=d-l，按d的尾數(shù)圓整為5或0(只降不升)取值，如d=188則按d=185計(jì)取； ③ 優(yōu)化節(jié)省是針對(duì)K-75Z(75)即d/l=2.0的焊縫而言。

表2 tp=16 mm改變焊縫形式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

注：①▲hm為計(jì)算值而不利用限制值；最右一欄L為焊件長(zhǎng)度，方括號(hào)內(nèi)數(shù)值，是以雙面連續(xù)焊的焊縫體積為1.00進(jìn)行的對(duì)比值；②按(固定d/l=150/75▲)、(優(yōu)化d/l￥)和(雙面連續(xù)焊 &)進(jìn)行計(jì)算。

5 角焊縫的形式也應(yīng)注意適時(shí)變更

凡《規(guī)范》要求雙面連續(xù)焊的部位，若不采用雙面連續(xù)焊當(dāng)然屬于違規(guī)。但凡《規(guī)范》未要求雙面連續(xù)焊的部位，若采用雙面連續(xù)焊并不違規(guī)。利用這個(gè)原則，在達(dá)到某種適用條件時(shí)，將間斷焊改為連續(xù)焊，也可以減少焊接成本。其適用的條件如下。

①當(dāng)ωτ=0.21且tp≥14 mm時(shí)；

②當(dāng)ωτ=0.27且tp≥11 mm時(shí)；

③當(dāng)ωτ≥0.34且tp≥9 mm時(shí)。

以tp=16 mm為例，將固定d/l=150/75=2、優(yōu)化d/l和改成雙面連續(xù)焊的3種焊縫形式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比列于表2之中。

從表2最右一欄方括號(hào)中焊縫的相對(duì)體積比可以看出：在某些情況下，固定節(jié)距間斷焊的經(jīng)濟(jì)性不如優(yōu)化節(jié)距間斷焊的經(jīng)濟(jì)性，而優(yōu)化節(jié)距間斷焊的經(jīng)濟(jì)性不如雙面連續(xù)焊的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)者需要針對(duì)具體情況對(duì)焊縫的結(jié)構(gòu)形式適時(shí)調(diào)整。

6 結(jié)論

通過變換角焊縫公式的相關(guān)參數(shù)或角焊縫的形式，優(yōu)化出的經(jīng)濟(jì)型角焊縫是準(zhǔn)確無誤的，角焊縫各項(xiàng)參數(shù)或形式的變換均在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。該成果已經(jīng)在設(shè)計(jì)院內(nèi)部應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)性初次成效。

船舶角焊縫既要正確地表述，也要合理設(shè)計(jì)。角焊縫符號(hào)表達(dá)不清，可能會(huì)使實(shí)際焊縫存在某種安全隱患；而角焊縫的設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)造成一定程度的浪費(fèi)，相對(duì)于大中型船舶來說，這種浪費(fèi)可能達(dá)到數(shù)十、上百萬元，不可小覷。

[1] 姜?jiǎng)?船體角焊縫截面形狀的研究[J].焊接與切割,1998(2)：35-37.

[2] 陳瑞良.鋼質(zhì)海船角焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].焊接與切割,1993,5(1)：38-43.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范(2015)[S].北京：人民交通出版社,2015.

[4] 中華人民共和國(guó)交通部,中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).船舶焊接符號(hào)：CB/T 860—1995[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[5] 薛海青.淺談焊縫的形狀尺寸與焊縫質(zhì)量的關(guān)系[J].同煤科技,2007,9(3)：41-42.

[6] 屠安林.優(yōu)化對(duì)接焊縫第一層焊縫[J].造船技術(shù),1995(8)：35-37.

[7] 沈純德.船體焊接縫裝配精度與偏差許可[J].造船技術(shù),1996(12)：19-23.

[8] 劉富強(qiáng).焊縫的特征識(shí)別與精確測(cè)量[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2013.

Technical Notes on Economical Weld Fillet Design

YU Wei

(Shanghai Branch of China Classification Society, Shanghai 201306, China)

In order to satisfy the requirements of ship construction rules, to accomplish the target of most welding materials and workload saving, the weld fillet can be optimized by adjusting the combination of design parameters, such as welding factors, length of proportioned weld fillet, clear of end craters and leg length, etc. or changing the weld joint type. The comparative analysis showed that, the economic type of weld has significant energy-saving effect.

Weld design; staggered intermittent weld fillet; weld fillet; rounding of value; optimization and adjustment

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.012

2016-06-01

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(漁業(yè)船舶技術(shù)法規(guī)體系研究)

余 瑋(1961—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

U671.83

A

1671-7953(2016)06-0053-04

修回日期：2016-06-04

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)建造檢驗(yàn)、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:2674751900@qq.com