基于精益生產船舶設計預留引熄弧區域技術創新

孫冰妍,于功志

(大連海洋大學 航海與船舶工程學院,遼寧 大連 116023)

目前國內船企船舶建造的鋼材無法做到定尺采購,因此設計過程中產生余料將無法避免,同時受制于技術條件影響,余料無法做到完全按照零件的實際形狀生成,一般情況下余料的形狀有矩形、三角形、L形和T形等[1]。船舶焊接工藝規程中明確要求必須規范使用引弧板和熄弧板(又名引出板),這是為保障船體焊接質量所使用的一種工藝板,在現場生產時用量很大、規格繁雜,基本都是用鋼材的余料切割制作而成,但是在現場使用的過程中產生了諸多問題,直接影響生產效率、產品質量,以及建造成本。為此,考慮基于精益制造(精：更少的投入,益：最大的產出)理念分析問題的根源,提出兩種解決問題的工藝方法。

1 引熄弧板的作用

焊接引弧、熄弧的瞬間電流和電壓不穩定,所以在焊縫引弧端和熄弧端易出現氣孔或未熔合,以及裂紋等焊接缺陷,為避免產生缺陷,必須在焊縫兩端加裝與焊縫坡口形式相同的焊接引熄弧板[2],焊接時從引弧板上開始引弧,等電弧移動到母材(工件)焊縫時,焊接的電流、電壓,以及電弧都比較穩定,此時焊接的焊縫質量比較好、缺陷少,在焊接完成后,在熄弧板上結束焊接[3]。

2 引熄弧板使用的諸多問題

引弧板和熄弧板是屬于工藝板大家族中使用量最大的一種,焊接工藝規程中要求必須規范使用,達到安裝工藝標準,才能保證焊接質量,但是引熄弧板在保證了焊接質量避免焊接缺陷的同時,客觀上也由此帶來了一系列難題。

2.1 安裝繁瑣

引熄弧板的標準尺寸為100 mm×150 mm,所有的對接焊縫兩端都需要安裝,現場生產工作量很大,安裝工藝步驟繁瑣。引熄弧板必須與母材之間的間隙要小、平整度要好,安裝時,底面和被焊鋼板下表面應處于同一水平面內,焊后引熄弧板應保持齊平,禁止上翹或下傾,焊后必須切除并磨平[4]。

2.2 焊后變形

焊接過程中,常見焊后引熄弧板翹起,這是因為引熄弧板屬于T形結構,自身強度低,而在焊接過程中,焊縫金屬在冷卻過程中產生收縮(橫向收縮和縱向收縮)[5],因此產生壓縮塑性變形。兩端翹起的引熄弧板需要進行火工校正使其重新恢復平整。

2.3 翻身時折斷

引熄弧板是探出母材邊緣的終端附屬件,當母材焊接完正面時,需要用吊車將母材翻身然后焊接反面,翻身過程中由于引熄弧板探出母材邊緣,因此成為翻身時受力點,引熄弧板自身體積較小,與母材對接處無法封底焊接,強度不高,極易被折斷,母材翻身后需要把被折斷或折彎的引熄弧板再重新安裝一遍,浪費時間。

2.4 損傷母材

引熄弧板屬于臨時工藝板,焊接后必須拆除。拆除要求是氣割時要離開母材5 mm,但是因為引熄弧板是與母材之間是滿焊在一起的,焊接處已經融合為一體,拆除時由于焊肉的障礙,所以無法避免的會損傷了母材,埋下了質量隱患,破損處極易出現氣孔類缺陷,將對焊縫的性能造成不良影響[6],見圖1。

圖1 引弧板拆除后損傷母材照片

2.5 制作工作量大

引熄弧板需單獨切割制作,現場生產需求數量龐大,以21萬t散貨船為例,單船需求量為16 500塊,而且還要加工出與母材焊道相同的坡口,切割制作和加工坡口工作量大。尤其在焊劑銅襯墊埋弧自動焊方法(簡稱FCB法)工藝要求中,引熄弧板的制作,分為A、B、C、D 4種類型,外形尺寸要求300 mm×300 mm,安裝精度要求高。

2.6 耗費焊接材料

焊材定額數據表明,1 kg焊材可以安裝15～20塊引熄弧板,以此測算,一艘21萬t散貨船的引熄弧板安裝需要耗費焊材近1 t。

2.7 管理難度高

因為焊接工藝要求引熄弧板與母材厚度相同,所以需要的板材種類規格繁雜,引熄弧板在找料、放樣、號料、切割、分類、保管、配套、交接、運輸、回收以及報廢等過程中都需要專人打理,管理過程難度高。

2.8 安裝不規范

因為引熄弧板管理難度高,對現場供應的及時性就會有問題,現場生產安裝急需時,因為材料沒有及時配送到位,所以引熄弧板安裝不規范的情況經常出現,例如,厚度與母材不一致,材質與母材不同,外形尺寸或大或小,沒有加工出來與母材一致的坡口,安裝不平整,對接處沒有滿焊等,見圖2。

圖2 引弧板安裝不規范照片

3 問題分析

3.1 梳理問題的主次關系

首要問題是切除引熄弧板后產生的破損缺陷,因為這直接影響下道工序的焊接質量,埋下質量隱患;其次是引熄弧板焊后變形和翻身折斷的問題;再次就是如何保障現場生產中規范安裝的問題以及降低管理難度和保障供應的及時性、順序性、正確性和完整性。

3.2 分析問題出現的原因

1)引熄弧板對母材的損傷其實是在引熄弧板安裝時對接口滿焊而造成的,因此焊接引熄弧板時已經損傷了母材。

2)氣割切除引熄弧板時因為受到焊肉的阻礙,對母材造成第二次損傷。

3)引熄弧板翻身時被折斷和焊接收縮導致變形上翹這些問題,是因為引熄弧板本身的體積小與母材對接位置無法封底焊接而造成的。

4)現場安裝不規范問題是因為材料供應的及時性差造成的。焊接工藝要求非焊接的部位嚴禁進行引弧[7],安裝不規范問題必須杜絕。

5)管理難度高是因為引熄弧板管理流程復雜和板材規格多。

6)焊材消耗量大是因為焊接工藝中要求對接口必須滿焊的要求造成的。

7)安裝繁瑣以及工作量大等問題是因為引熄弧板是一種附屬件,且需求數量龐大。

4 創新的思路

4.1 綜合分析

船用鋼板種類多,以20萬t級的民用運輸船型為例,各船企差異很大,鋼板種類少則3 000多種,多則達4 300多種,這與船企的鋼材利用率指標、設計水平,以及成本管理有關,鋼材的種類越多材料的利用率就高,但圖紙設計難度、現場管理難度(分揀、配套、轉運、保管、運輸等)也就更大,訂貨周期也越長。

船用訂制鋼板在長度和寬度方向都會留有余量,為了降低成本,寬度方向的設計余量較小,兩端約留10～20 mm,長度方向的余量較大,約100～300 mm,甚至更大,這與套料圖中的零件形狀有關,所以通常情況下板材長度方向余量比較充裕。

鋼板邊緣留余量的目的有三：①要給切割設備留有足夠的切割裕度;②防止切割時板材受熱膨脹變形,導致工件的外形尺寸出現誤差;③防止鋼板裝卸分揀時鋼板邊緣出現破損(卷邊、豁口、缺肉),影響切割精度。所以寬度方向余量最小也不能低于10 mm。板材下料后切割下來的余料,較大余料的可以二次利用,制作成工藝板,吊耳等工裝或舾裝件,較小的余料則作為廢料處理。

4.2 改變傳統形式

創新前傳統的形式：板材數控切割下料圖,見圖3,傳統的套料設計形式通常是寬度方向余量較小,長度方向余量較大。板材下料切割,拼接后在焊縫兩端安裝引弧板和熄弧板,引熄弧板與母材對接后需要滿焊,見圖4。

圖3 傳統板材下料時余量留取示意

圖4 板材拼接后安裝引熄弧板示意

利用定制鋼板的長度和寬度方向的余量,在切割工件時將引熄弧板與工件一起切割出來,使引熄弧板和母材(工件)本身成為完整的一體。

5 創新方法

套料是將船體零件按板厚材質分類后,布置到對應的母材上,生產部門根據套料時生成的套料圖和套料程序將鋼板或型材切割成零件。套料布置的優劣直接影響材料利用率的高低,材料利用率是造船成本的重要影響因素[8]。從再利用的視角考慮,運用“一體化”的技術方法,在船舶設計建模和編制數控套料圖時將引弧板和母材組合在一個切割程序中。

5.1 方法一

定制板材長度方向余量較大,在編制數控切割套料程序時將引弧板與母材工件設計成一體,利用這部分余量在切割母材(工件)時,切割出半個引熄弧板(長75 mm、寬100 mm),這半個引熄弧板與母材(工件)成為了一體,見圖5。數張板材拼接在一起,見圖6組成一個個完整標準的引弧板(150 mm×100 mm),引弧板與母材完美的融合在一起,同時也滿足了安裝工藝中的各項要求(厚度、材質、坡口、平整度)。第一種方法可以有效解決上文中所羅列存在的8種問題。但是由于無余量造船的水平不斷提升,應用比例預計為15%～20%,主要集中于船體的艏部,艉部,機艙分段等線性較大和精度控制難度高的部位。

圖5 數控下料示意

圖6 創新后的形式示意(余量較大)

5.2 方法二

如果板材余量較小,見圖7,可以只切割出一小部分局部引弧區域,然后再將引弧板對接在這個局部的引弧區域上組成一個完整的標準的引熄弧板。對接口設計在母材的余量區域,好處：①引熄弧板與母材的對接焊不會損傷母材本體;②切除引熄弧板時因為沒有對接焊肉的障礙,所以切割的斷面質量好效率高。這種方法只能解決翻身時折斷,損傷母材和安裝不規范這3個問題。因為此方法是利用為了鋼材切割必須留有的余量(5～10 mm),所以利用率極高,尤其是可以完全解決損傷母材這一問題。

圖7 創新后的形式示意圖(余量較小)

5.3 新方法應用說明

723分段(見圖8)重量110 t,是由外底板、內底板、橫艙壁板、中桁材、旁桁材、肋板框架、T形縱骨和K形肘板等組成,鋼材厚度18～22 mm,單絲埋弧對接焊縫36道,FCB對接焊縫6道,CO2氣體保護焊縫18道,焊接工藝要求所有的對接焊縫兩端均需要安裝引熄弧板。經統計723分段共計60道對接焊縫,需要安裝120塊引熄弧板。

1)外底板的余量大于100 mm。見圖9,可以切割出與外底板融為一體的完整引熄弧板,引熄弧板與外底板完美形成一個整體,不需要再單獨安裝引熄補板。

圖9 創新后的現場應用照片

2)內底板余量較小,約20 mm,見圖10,無法切割出一個完整的引熄弧板,故考慮利用現有的余量切割出一個局部的引弧區域,然后將引熄弧板對接在這個局部引弧區域。因為預留的部分就是板材的余量,是焊接完工后需要切除的部分,所以這種創新形式最大的好處是不會因為對接處的焊接工作而損傷母材。

圖10 創新后現場應用照片(余量較小)

3)新方法的實船建造應用優勢。首先可減少大量引熄弧板的安裝工作,其次可相應減少焊接、氣割和打磨工作量,因此723分段制作生產效率提高了10%以上,同時最大限度地保證了對接焊縫的焊接質量,降低了綜合成本。

6 新方法的優點

6.1 提高生產效率

1)以往引熄弧板都是人工號料逐一切割,創新后引熄弧板與母材一體是由數控程序和自動化切割設備完成的。引熄弧板與母材形成一體后,不需要單獨去安裝,可大幅度提高裝焊效率。

2)引熄弧板與母材融為一體后,引熄弧板不需要單獨配送到現場,可提高物流效率。

3)引熄弧板本體的強度提高,母材翻身時引熄弧板不會被折彎或折斷,可減少裝配工人火工矯平和重新安裝的工作量。

4)引熄弧板與母材一體后還可以代替母材翻身用的臨時吊環。

5)沒有對接焊肉的障礙,引熄弧板拆除時變得更加方便快捷。

6.2 保證焊接質量

1)焊接質量的好壞直接影響著船體結構的強度,質量,安全和壽命[9],引熄弧板與母材一起切割下來后,平整度,厚度,材質和坡口形式都與母材一致,端頭的焊接缺陷明顯減少,可有效提升焊接工藝質量[10]。

2)可避免切除時產生的對焊縫端頭的母材損傷,消除下道工序焊縫接頭位置的質量隱患。

3)可解決以往母材(板架)翻身折斷引熄弧板而造成的端頭焊縫裂紋的難題。

6.3 降低成本

1)鋼材成本。引弧板 1塊 1.5 kg(4元/kg);熄弧板 1塊 1.5kg(4元/kg);引熄弧板材料費共計12元。完工后切割下來的引熄弧板,經過90°旋轉,避開凸起的焊縫后,還可以再重復利用一次。

2)焊材成本。1 kg焊材可以焊接15～20塊引熄弧板,以此測算,21萬 t散貨船的引熄弧板定額16 500塊,就可以節省大量的焊材。

3)人工成本。技術創新后降低了引熄弧板的找料、切割、號料、分揀、配盤、運輸、接收、清點、吊運、,保管等一系列工作的人工成本,按照工時計算,可以減少分段制作階段1.5%～2.0%的總工時量。

7 新方法的弊端

1)船體設計工作量增加,工藝設計階段建模的難度加大,在建模后船體結構圖形中出現了很多“小耳朵”(引熄弧板)。為此,提出一個解決辦法,由生產制造部門的技術人員在套料圖和切割程序上入手,根據套料圖中余量的大小,自主編制新的切割程序帶出引熄弧板。

2)因為增加了等離子切割延長米數而加大了切割工作量。

3)降低了鋼板余料的外形完整性,加大了鋼材余料二次利用時套料的難度。

8 結論

創新了一種預留引熄弧區域的技術方法,針對建造中的難點、堵點問題,從生產設計源頭入手,有針對性地解決生產中存在的具體問題,所以具有很強的實用性,適用于船體建造中的部件制作工序、平臺拼板工序、立體分段制作等多個工序,可有效解決引熄弧板在使用過程中出現的諸多問題,特別是第二種方法基本上可以適用于國內絕大多數船企。