3 mm焊腳高度角焊縫的應用

李 勇，李明明

（1.中國船級社廣州分社，廣東廣州 510235；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州 510715）

0 引言

新型水面艦艇的設計制造，大量采用高強度船體結構鋼材，由于船體結構板厚減薄，艦艇具有更輕的自身重量、更快的船舶航速等優點，得到了業界的廣泛認可。但船體結構板減薄，帶來了薄板焊接變形難以控制的難題。我國某船廠建造的600 t級高速執法船，主船體采用高強度鋼材，船體內隔艙壁及中間甲板的板厚（4～5）mm，根據以往類似板厚的焊接施工經驗，焊后需要大量的矯正作業以消除焊接變形。

1 焊腳尺寸規范要求

船舶結構角焊縫的焊腳尺寸，通常采用焊喉厚度h和焊腳高度K進行衡準，焊喉厚度主要用于前期的詳細設計，同時也是焊縫強度計算的主要衡準值；焊腳高度主要用于后期的生產設計和焊接驗收，因為用焊喉厚度h確定焊腳高度K時，需要考慮焊接方法、工藝參數、焊縫型式及其他條件，因此只有在生產設計階段才能完全確定。船體結構角焊縫的具體要求，參見各個船級社入級規范中焊縫設計的相關章節，而該型600 t級高速執法船按照《海警艦艇設計建造規范2017》設計建造，其中第2篇第1章第4節中，雖然用表格列舉了大量不同位置的船舶結構之間角焊縫的焊接系數，但在后面另外給出了一個焊喉厚度的最小值表（表1）。從表1中可以看出，對于手工焊和自動焊的船體結構角焊縫，當板厚≤7.5 mm時，角焊縫的最小焊喉厚度需要達到3 mm。

表1 焊喉厚度的最小值 mm

2 問題

根據《海警艦艇設計建造規范2017》的規范要求，對（4～5）mm厚高強度船體結構鋼角焊縫的焊腳高度要求≥4.2 mm。根據現場的施工情況，當板厚4 mm角焊縫的焊腳高度為4.2 mm時，船體結構在小組立和中組立階段，焊接變形比較明顯。

而根據相關公式（1），（2）所示，當角焊縫的接頭形式和焊板尺寸、材料固定時，縱向收縮應力為常數，縱向撓曲變形和撓度與總的縱向收縮應力相關，與焊縫金屬斷面面積成正比。

上述式中，PL為總的縱向收縮應力；σL為縱向收縮應力；AW為焊縫金屬斷面面積；f為縱向彎曲擾度；b為縱向焊縫距試板重心的距離；l為焊接試板長度；E為彈性模量；J為焊接試板截面慣性矩。

因此，已完成生產設計的船體結構，為了減小角焊縫的焊接變形，只有考慮改變焊縫金屬斷面面積AW，而焊縫金屬斷面面積等于焊縫總長乘以焊喉厚度h，所以只有減小焊喉厚度，才能減小焊縫金屬斷面面積，達到減少焊接變形的目的。但規范中已經明確給出最小焊喉厚度的要求，需要驗證更小焊喉厚度的強度可以滿足施工工藝要求。

3 角接焊工藝驗證試驗

（1）試驗方法。采用4 mm厚DH36高強度鋼作為焊接母材，準備4塊（1000×150）mm的鋼板，兩兩組裝成角接焊試驗件，2個試驗件的裝配間隙分別為0 mm和1 mm，標記為0號件和1號件。對2個試驗件進行單側平角接的單層單道焊焊接，焊縫長度1 m，焊后測出的焊腳高度3 mm。

（2）焊接工藝。采用藥芯焊絲CO2氣體保護自動焊，使用直徑1 mm的JQ.YJ501-1焊絲，使用KAIERDA KE-350焊機，焊接電流（170～185）A，焊接電壓（24～26）V，焊接速度 56.4 m/h，CO2流量 25 L/min。

（3）試驗結果。2個試件焊接完畢后，進行外觀檢查和表面滲透檢測，結果滿足要求。分別從2個試件中取出2個長度約25 mm的焊縫斷面宏觀試樣和一個長度約400 mm的破斷試樣，1號件焊縫斷面宏觀試樣金相檢測結果如圖1所示，顯示焊縫成形良好，有足夠的熔深，無裂紋和未熔合缺陷，試樣硬度檢測最大硬度218 HV10，最小硬度135 HV10。1號件破斷試樣檢測結果如圖2所示，顯示焊縫無裂紋和未熔合，氣孔符合ISO 5817和ISO 10042的B級要求。0號件的破斷試樣在2塊母材幾乎被壓到一起后，單側的填角焊依然沒有完全裂開，進一步驗證焊縫具有足夠的連接強度，且裝配間隙越小（焊喉厚度值越大）連接強度越大。試驗結果得出，3 mm焊腳高度的角接焊焊接工藝滿足要求，可以應用于船體結構間的角焊縫，但需要控制裝配間隙≤1mm，且裝配間隙越小越好，同時該焊接工藝只適用于焊接母材（3～6）mm厚的薄板。

圖1 1號件試樣焊縫斷面

圖2 1號件破斷試樣斷面

焊接工藝的驗證試驗成功后，征得該型船主管機關審批同意，開始在實船焊接施工中大量應用，主要用于4 mm和5 mm板材與骨材之間的角焊縫。通過對施工后的小組立和中組立等結構的測量，發現因角焊縫焊接產生的變形明顯減小，得到了船東方的好評和肯定。

4 結論

經過標準的角接焊工藝認可試驗和實船施工情況，驗證了3 mm焊腳高度角焊縫可以應用于厚度（3～6）mm的DH36高強鋼的填角焊焊接，減小薄板的焊接變形，但裝配間隙需要保持在（0～1）mm范圍內，且裝配間隙越小、焊縫的連接強度越高。