摘 要：UV反應(yīng)器是船舶壓載水處理系統(tǒng)的核心部件;其內(nèi)部的液體流場(chǎng)分布、紫外線光場(chǎng)分布以及紫外光強(qiáng)值的精確設(shè)置，是決定整個(gè)壓載水處理系統(tǒng)對(duì)船舶壓載水的微生物、細(xì)菌處理效果的技術(shù)核心所在。所以，UV反應(yīng)器的焊后變形及尺寸精度情況是影響反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)分布、光場(chǎng)分布及紫外光強(qiáng)值精確測(cè)定的主要因素，因此焊后變形及尺寸精度控制是其制造的重點(diǎn)及難點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)UV反應(yīng)器制造的材料因素、結(jié)構(gòu)因素及制造因素進(jìn)行分析;從零部件的預(yù)制切割到裝配、再到部件焊接逐序制定工藝管控措施。經(jīng)驗(yàn)證，UV反應(yīng)器焊后變形及尺寸精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明工藝措施可靠有效。

關(guān)鍵詞：壓載水;UV反應(yīng)器;變形控制;尺寸精度

中圖分類號(hào)：U664.85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0062-02

0 前言

為防止船舶壓載水排放引起的外來(lái)物種入侵，病原體傳播導(dǎo)致的環(huán)境、人類健康、財(cái)產(chǎn)及資源方面損害，國(guó)際海事組織（IMO）通過(guò)了《2004年國(guó)際船舶壓載水與沉積物控制和管理公約》，2017年9月8日公約正式生效。船舶壓載水處理系統(tǒng)是履約的關(guān)鍵裝備。其中機(jī)械式過(guò)濾+紫外線滅活是壓載水處理中的主流、高效的處理方式，而UV反應(yīng)器是整套處理系統(tǒng)的核心部件之一，其制造的精度直接影響壓載水對(duì)生物的處理效果。

因其工作環(huán)境接觸包括海水、淡水、混合水等各種水域，遂整體采用316L不銹鋼全熔透焊接而成。如圖1：UV反應(yīng)器結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。UV反應(yīng)器核心技術(shù)就是科學(xué)設(shè)置通過(guò)UV反應(yīng)器壓載水的流場(chǎng)分布和紫外光場(chǎng)分布，以及對(duì)不同壓載水流量的紫外線強(qiáng)度劑量的科學(xué)設(shè)置;要保證流場(chǎng)、光場(chǎng)以及紫外線強(qiáng)度都在理論設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，這就要求UV反應(yīng)器的變形控制及尺寸精度在設(shè)計(jì)的公差范圍內(nèi)。

1 制造焊接的重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

1.1 材料因素

與普通碳鋼相比，奧氏體不銹鋼的電阻可達(dá)碳鋼的5倍，線膨脹系數(shù)比碳鋼約大50%，熱導(dǎo)率比碳鋼低，僅為其1/3[1]。在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過(guò)程中可形成較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫及其周圍區(qū)域產(chǎn)生較大的焊接變形[2];由此可推算出，不銹鋼焊后受熱變形量與碳鋼相比呈倍數(shù)增加。由此，控制焊接變形是UV反應(yīng)器焊接中的一個(gè)難點(diǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)因素

UV反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2，反應(yīng)器主體為異徑四通結(jié)構(gòu)，此四通結(jié)構(gòu)為非標(biāo)尺寸，定做成本較高，并且精度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，故采用管路焊接。各型號(hào)反應(yīng)器的主管管徑為240mm≤D≤600mm，支管管徑為200mm≤D≤560mm，壁厚7mm≤δ≤10mm;主管與支管管徑相差10-50mm，主、支管管徑相接近，主管相貫處較狹窄，此處強(qiáng)度較弱。

另外，從圖2的結(jié)構(gòu)圖中可看到，相貫的異徑四通一側(cè)集中多個(gè)角度不一、大小不同的小尺寸接管，同時(shí)還有一個(gè)觀察孔;此面形成多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，結(jié)構(gòu)完全不對(duì)稱。設(shè)計(jì)要求整體管路焊后橢圓度不超過(guò)±0.5%D（D為管路公稱外徑），幾個(gè)接管中的兩個(gè)為測(cè)量紫外線光強(qiáng)度的傳感器座，為確保所測(cè)量光強(qiáng)的精確性，從而指導(dǎo)設(shè)置正確的光強(qiáng)值，此傳感器座焊后尺寸精度須保證在零點(diǎn)幾毫米范圍內(nèi)，焊接控制難度大?？刂坪附幼暮负蟪叽缇仁且粋€(gè)難點(diǎn)。

1.3 制造因素

在焊前準(zhǔn)備過(guò)程中，由于整體結(jié)構(gòu)為管與管相貫，并且相貫的兩管直徑相接近;常規(guī)的相貫管切割難免造成相貫縫隙大小不一，導(dǎo)致焊縫各處拘束度不同;坡口角度不均勻，使整個(gè)焊縫各處的填充金屬量不均勻，從而加大焊縫內(nèi)應(yīng)力，引起焊縫變形增大。由圖2結(jié)構(gòu)圖可知，主管切割面積較大，在采用熱切割時(shí)，會(huì)引起主管較大變形。因此，減小或消除焊前準(zhǔn)備對(duì)焊接變形及精度的影響因素是一個(gè)重點(diǎn)。

2 工藝措施

焊接應(yīng)力和變形是由多種因素交互作用而導(dǎo)致的結(jié)果。對(duì)于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件焊接應(yīng)力與變形控制要從多方面著手，在每道工序進(jìn)行嚴(yán)格控制，減小熱輸入，并且減小焊接熱輸入的不均勻性，包括控制焊接電流的大小、同參數(shù)對(duì)稱焊接、保證坡口的均勻性等;采用合理的裝配、焊接順序，盡量減小裝配間隙[3]。

2.1 針對(duì)材料因素的工藝措施

我們采取熱量集中，線能量小的焊接方法，小焊接規(guī)范，快焊速，小層間溫度，盡量減小焊縫金屬填充量。

2.2 針對(duì)結(jié)構(gòu)因素的工藝措施

盡量保證裝配的精度，減小或消除焊縫裝配間隙。由于鉻鎳奧氏體不銹鋼常溫時(shí)的力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，低溫時(shí)又具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良特性，因此焊件焊后立即進(jìn)行快速冷卻和矯正，均不引起焊縫的開(kāi)裂[4]。所以，焊接時(shí)可使用機(jī)械方法進(jìn)行固定，待焊縫完全冷卻后松開(kāi)夾具。采用專門(mén)的焊接夾具，用機(jī)械方法施加拘束力，可使焊縫區(qū)域的焊接變形傾向減小，從而達(dá)到滿意的成形外觀[2]。焊接時(shí)分段對(duì)稱焊接，先焊接變形大的區(qū)域，讓焊接應(yīng)力充分釋放，再焊接變形小的區(qū)域，有利于減小焊后的整體變形。

2.3 針對(duì)制造因素的工藝措施

優(yōu)化切割方案，選用切割變形小的方式切割下料;通過(guò)預(yù)先矯形等方法減小焊縫的不均勻性;選擇合適的坡口形式，減少坡口的不均勻性及減少焊接填充量。

3 制造焊接工藝

3.1 切割方案

針對(duì)UV反應(yīng)器各部件對(duì)精度要求，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備條件，下料切割備選方案有三種：數(shù)控等離子相貫線切割機(jī)切割、數(shù)控線切割機(jī)切割、機(jī)械加工。

（1）日常切割不銹鋼管路的最常規(guī)、最簡(jiǎn)便的方法為等離子相貫線切割機(jī)切割。由圖2結(jié)構(gòu)圖可知，主管切割面積較大，切割受熱后會(huì)引起主管的變形。經(jīng)試驗(yàn)，等離子相貫線切割機(jī)切割后橢圓度變形最大達(dá)6mm，最小處3mm，變形不均勻，矯正很困難。

（2）采用線切割機(jī)切割，切割后的筒體幾乎無(wú)變形，但切割后主管與支管相貫處不能完全吻合，需要采用手工修磨方式進(jìn)行相貫面的修磨，并且坡口需要單獨(dú)加工。

（3）采用機(jī)加工，通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床可精確加工出部件形狀及尺寸;變形可忽略不計(jì)。但由于管路壁厚較小，內(nèi)部為空腔;在裝夾及加工時(shí)需要制作專用工裝卡具，否則加工困難，并且需要多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，條件限制較大，且成本較高。

綜合以上對(duì)比，決定選用線切割方式切割下料，然后采用手工修磨方式研配修磨，確保裝配接近0間隙;各焊接座開(kāi)口處采用機(jī)械加工方式鉆孔，所鉆孔與焊接座接管尺寸預(yù)留0.1mm間隙。切割時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留出長(zhǎng)度的收縮余量。由于切割前管路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、變形均勻，矯形較容易;所以在管路切割前對(duì)管路預(yù)矯形處理，確保管路橢圓度平均控制在0.5mm范圍內(nèi)。

3.2 裝配工藝

（1）裝配時(shí)，確保各部件裝配間隙接近0間隙。

（2）支管路各焊縫處選用單面45°雙V型坡口（相較單面V型坡口，焊縫金屬填充量減少一半）;為保證全熔透，不留鈍邊，主管路不開(kāi)坡口。

（3）先裝配主管與支管成異徑四通，并將組裝的四通的四個(gè)管路采用四個(gè)厚圓板固定，待相貫縫焊接冷卻后去除。異徑四通焊接完成后裝配并焊接四個(gè)法蘭，之后再裝配、焊接各傳感器焊接座。

（4）裝配、焊接光強(qiáng)計(jì)焊接座時(shí)，通過(guò)機(jī)加工制作專用定位工裝進(jìn)行精準(zhǔn)定位并對(duì)其固定，待焊接完全冷卻后松開(kāi)定位工裝。

（5）焊接時(shí)先焊接相貫的尖角處，即圖2的A處，然后再焊接其它焊縫處，采用分段內(nèi)外對(duì)稱焊接。

3.3 焊接工藝

采用線能量小、熱量集中，且成型較好的鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

4 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)主管外徑337mm，支管外徑325mm裝配、焊接成UV反應(yīng)器殼體后，測(cè)量殼體各數(shù)據(jù)：UV反應(yīng)器各分支管路橢圓度最大處1.2mm，1.2mm<0.5%×325mm=1.625mm;焊接座尺寸誤差為0.2mm，小于設(shè)計(jì)公差要求;角度誤差可忽略不計(jì);變形量及尺寸精度控制都在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，證明焊接工藝措施可靠有效。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于電阻大、線膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率低的奧氏體不銹鋼異徑四通類精密構(gòu)件，焊接變形及尺寸精度可通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

（1）嚴(yán)格控制零部件焊接前預(yù)制的變形情況，可通過(guò)非受熱切割加工來(lái)保證零件的切割精度，以及減小或避免切割下料產(chǎn)生的變形。根據(jù)零件的矯形難易程度，可在切割前或切割后對(duì)零件進(jìn)行預(yù)先矯形，控制尺寸在較小的公差范圍內(nèi)，為后續(xù)焊接留出足夠變形量。

（2）提高裝配精度;采用小的裝配間隙、均勻的雙面V型坡口，減少焊接填充量，來(lái)縮小焊接變形。注意裝配和焊接順序。如：尺寸精度要求高的焊接座類零件，其他焊縫對(duì)其影響較大時(shí)，可最后裝配、焊接，避免其他焊縫焊接變形對(duì)其尺寸精度產(chǎn)生影響。

（3）采用線能量小、熱量集中的焊接方法，小規(guī)范焊接參數(shù)，以及控制較低的層間溫度來(lái)減小焊接應(yīng)力;采用先焊接變形大的焊縫，后焊接變形小的焊縫，并采取分段焊接來(lái)減小焊接變形。

（4）可制作專用的工裝卡具，對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械固定，待焊縫焊接完成并完全冷卻后再松開(kāi)夾具。在使用工裝夾具時(shí)應(yīng)提前估算可能的變形方向及固定位置，否則可能取得相反的效果。

參考文獻(xiàn)

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