李鵬 楊亮 馮朝聞 張愛兵

1. 概述

船舶焊接技術是船舶工業(yè)的主要關鍵工藝技術之一，焊接形式主要分為對接和角接，按焊縫構造不同，可分為對接焊縫和角焊縫。

對接焊縫主要采用自動化、半自動化設備焊接，一般焊接質量較好，成形美觀，焊縫余高控制較好，焊接余量較小。僅在曲型分段制作及合攏時由于無法使用自動化焊接設備而采用手工焊接，但是由于這些分段所占比例較小，且焊后一般采用打磨措施，焊縫余高基本符合焊接標準，故本文對對接焊的焊接余量不做研究。

除對接形式外，角接焊縫是船舶焊接中最主要的焊接形式，經統(tǒng)計，分段建造中角焊形式焊材用量基本達到分段所用焊材總量的50%。

部件角焊縫一般采用平角焊機，平面分段縱骨焊接采用多電極縱骨焊，立角焊機也在普及之中。但在大部分曲面分段及角焊機不適用的分段，氣體保護焊仍占據主導地位。角焊機、多電極縱骨焊受設備本身及焊絲等限制，單道焊的焊腳極限為7mm，超過這一極限則對焊縫成形有影響。船體結構的焊腳尺寸從4.5~12mm變化較大，而焊工為了操作的方便而沒有頻繁的調整焊接參數，就會導致焊腳尺寸大大超過規(guī)定尺寸，角焊縫的焊接如圖1所示。我們一般將角焊縫板外部分視為等腰三角形進行近似計算。

圖1 角焊縫焊接示意

2. 案例分析

以某20萬t級散貨船為例，進行角焊縫的尺寸測量及分析：

全船角焊縫長約28.44萬m，折合焊絲約為278t，按照市場價格1.3萬元/t計算，為361.3萬元。此外，計算中應考慮焊接過程中所需要的人工費用及動力能源消耗，由此可見焊接成本在全船成本中占據可觀的份額。因此，在這里我們討論如何在保證施工質量的前提下，通過適當的方法嚴格控制角焊縫的焊腳尺寸，來達到減輕空船重量，降低造船成本的目標。

本文對此20萬t級散貨船的分段進行抽樣，并測量抽樣分段的角焊縫尺寸，對每個相同測量點進行三次重復測量，結果取三次測量平均值，最后將不同測量點的測量值與對應的規(guī)定值進行比對，如表1所示。

由表1可以看出，T型材的面板與腹板連接的角焊縫焊接質量較高，焊腳尺寸余量控制在1mm左右，其他很多位置焊腳不夠平滑，多處焊腳尺寸測量值明顯大于要求值。

通過對部分分段焊縫的抽樣分析，來估算整船焊腳尺寸余量。按照不同焊接位置，對一個分段內的角焊縫進行分類，并計算同類焊縫的長度占該分段總焊縫長度的比例，依照比例對該分段的焊縫尺寸測量值及要求值進行計算，得到加權平均值，作為焊縫余量的計算依據，其簡化數據如表2所示。

根據以上數據，在一個環(huán)段中，焊腳尺寸測量值約為8.5mm，規(guī)定值為6.5mm，剖面積為36mm2和21mm2，計算的焊腳尺寸實際余量為72%，大大超標。

按照上述分析，如果將余量控制在1mm（考慮焊材熔化后流動），則船上焊材重量減少4 0t，約占全部角焊縫焊絲重量的1 4.4%，按照市場價格1.3萬元/t計算，則可節(jié)約51萬元。同時，在現場測量中，有大量角焊縫不夠平滑，尺寸嚴重超標，在測量時避開了這些區(qū)域，如果將這些區(qū)域一并考慮，則還有可能再減少5%的焊材重量。此外，如果考慮到過程中人工費用以及焊絲的耗損和焊接過程中的動力能源消耗，那么過大的焊接余量帶來的經濟損耗十分嚴重。

表1 分段角焊縫尺寸對比

表2 分段角焊縫尺寸簡化值對比

3. 焊接余量控制方法

經過現場實際調研發(fā)現，在焊縫檢查中，一般只是檢查焊腳是否夠大，這也導致在施工過程中，工人為了一次報驗通過，習慣留有很大的余量，造成船廠造船成本的增加。因此很有必要在保證結構強度的前提下，盡量控制施工中角焊縫的余量。為了解決該問題，建議在加強焊工思想、質量教育前提下盡量將焊接規(guī)格表中要求的焊腳尺寸標注在結構件上，再將焊腳理論尺寸范圍（可加上一定余量，但必須要有統(tǒng)一標準，建議為10%~20%）采用彈線的方法顯示在結構上，這樣焊工在施焊過中很容易控制焊腳大小，如圖2所示。

以某型32萬t VLCC焊材理論重量計算為例，計算分段實際焊材用量：角焊焊材質量=橫截面×2×焊縫長度×密度；對接焊焊材質量=橫截面×焊縫長度×密度。

從常規(guī)的板厚、焊腳尺寸大小，對角焊縫和對接縫的焊接要素進行了計算，這也是計算焊接材料用量的理論依據，結果如表3~表6所示。

根據表3~表6，按照分段組立圖和TRIBON模型統(tǒng)計不同板厚相應的角焊縫，對接焊縫長度，計算相應的角焊縫、對接焊縫的焊材重量。

（1）VLCC船典型縱艙壁分段最終統(tǒng)計數據 焊材總重量合計為1.165 8t，其中角焊縫焊材重量為0.44157t，對接焊縫為0.724 3t，分段結構重量為145.133t，焊材總重量占結構重量的比例為0.80%，角焊縫焊材重量占分段焊材總重量的38%。

（2）VLCC船典型邊底分段統(tǒng)計數據 焊材總重量合計為1.60873t，角焊縫焊材重量為0.6837t，對接焊縫焊材重量為0.925 1t，分段結構重量為203t，焊材總重量占結構重量的比例為0.80%，角焊縫焊材重量占分段焊材總重量42.5%。

其他貨艙區(qū)域分段不一一列舉，根據其他貨艙段分段焊材重量的統(tǒng)計，可以得出貨艙段焊材重量與結構重量的比值約為0.81%。由于本統(tǒng)計數據未考慮鉚工裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對接定位馬焊接等，僅為模型純理論所需焊材重量，若綜合以上各種因素，考慮焊材與結構重量比例約為1%。角焊縫焊材重量約為分段焊材總重量的50%。

圖2 焊腳彈線示意

表3 角焊縫焊接要素

表4 平面分段流水線埋弧焊對接焊接要素

表5 CO2平焊對接焊接要素

表6 埋弧焊對接焊接要素

（3）VLCC船典型機艙分段統(tǒng)計數據 焊材總重量為1.151t，角焊縫焊材重量為0.519t，對接焊縫焊材重量為0.632t，分段結構重量為121t，焊材總重量占結構重量的比例為0.98%，角焊縫焊材重量占焊材總重量45.1%。

其他機艙分段焊材統(tǒng)計不一一列舉，根據統(tǒng)計數據可得出，機艙段焊材理論重量與結構重量比值約為1%，若考慮裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對接定位馬焊接等因素，焊材與結構總量比例為1%~1.2%。角焊縫焊材重量約為分段焊材總重量的50%。

綜上所述，首部分段焊材用量最終統(tǒng)計結果為：焊材用量與結構重量比例約為0.83%，角焊縫與對接焊縫各占50%，若考慮裝配定位焊、引弧、引出板焊接、吊耳焊接、胎架工裝焊接及對接定位馬焊接等因素，焊材與結構總量比例約為1%。

（4）尾部分段焊材用量最終統(tǒng)計結果 焊材用量與結構重量比例約為1%，角焊縫與對接焊縫比2:3，若考慮其他因素，所需焊材總量與結構重量比例為1%~1.2%。

（5）上建分段焊材用量最終統(tǒng)計結果 焊材用量與結構重量比例約為0.7%，角焊縫與對接焊縫比為1.1:1，若考慮其他因素，所需焊材總量與結構重量比例約不超過1%。

根據各部分（首、尾、機艙、貨艙區(qū)及上建區(qū)域）結構實際重量，同時根據各部分實際焊材的用量比例可計算出整船的焊材實際用量，同時為焊材訂貨標準提供參考依據，如表7所示。

通過某型3 2萬t VLCC焊材統(tǒng)計分析，可看出整船焊材訂貨總量按結構重量2%執(zhí)行已經足夠滿足實際要求，3%標準過于寬松（焊材工藝消耗定額Dh=W（凈）×K，其中W（凈）為鋼材凈重，K值按中船總產品焊接材料消耗定額考核標準執(zhí)行。萬噸級散貨船K值取2.69%，2 000t以上原油船取2.67%，船舶噸位越大，K值越?。F行標準制定于20世紀90年代，當時國內還沒有建造大型VLCC、VLOC的經驗，目前20萬t級、30萬t級、4 0萬t級船舶已經成為國內各大船廠的主要在建船型，但是目前船廠通用的焊材工藝消耗定額標準沒有相應改進，且各大船廠均取系數K為3%，這與目前國內船廠提倡的節(jié)能降耗制度不符，不利于提高中國船廠的競爭力，應予以修改。如能實現對角焊縫焊腳大小的成功控制，焊材訂貨2%的行業(yè)標準還有進一步提升的空間。

4. 結語

影響空船重量的因素有很多，本文僅從焊材控制方面做出論述，根據統(tǒng)計分析結果得出：若加強焊接控制（尤其是角焊焊腳余量的控制），節(jié)省的焊材重量相當可觀，焊材節(jié)約是降低空船重量的一種行之有效的辦法。同時根據本文論述可得出焊材訂貨行業(yè)標準需改進提高，焊材訂貨量降低一個百分點對船廠的降本增效也是一種有力的支持。

表7 某型32萬t VLCC焊材統(tǒng)計分析

[1] 柳金海，陳百誠.金屬管道焊接工藝便攜手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.1

[2] 倪慧鋒.船舶焊接技術應用[J].現代焊接，2007（11）： 4-5.