孫冰妍,于功志

(大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

目前國(guó)內(nèi)船企船舶建造的鋼材無(wú)法做到定尺采購(gòu),因此設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生余料將無(wú)法避免,同時(shí)受制于技術(shù)條件影響,余料無(wú)法做到完全按照零件的實(shí)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(guī)程中明確要求必須規(guī)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(zhì)量所使用的一種工藝板,在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)用量很大、規(guī)格繁雜,基本都是用鋼材的余料切割制作而成,但是在現(xiàn)場(chǎng)使用的過(guò)程中產(chǎn)生了諸多問(wèn)題,直接影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)出)理念分析問(wèn)題的根源,提出兩種解決問(wèn)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(wěn)定,所以在焊縫引弧端和熄弧端易出現(xiàn)氣孔或未熔合,以及裂紋等焊接缺陷,為避免產(chǎn)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(shí)從引弧板上開(kāi)始引弧,等電弧移動(dòng)到母材(工件)焊縫時(shí),焊接的電流、電壓,以及電弧都比較穩(wěn)定,此時(shí)焊接的焊縫質(zhì)量比較好、缺陷少,在焊接完成后,在熄弧板上結(jié)束焊接[3]。

2 引熄弧板使用的諸多問(wèn)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(guī)程中要求必須規(guī)范使用,達(dá)到安裝工藝標(biāo)準(zhǔn),才能保證焊接質(zhì)量,但是引熄弧板在保證了焊接質(zhì)量避免焊接缺陷的同時(shí),客觀上也由此帶來(lái)了一系列難題。

2.1 安裝繁瑣

引熄弧板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為100 mm×150 mm,所有的對(duì)接焊縫兩端都需要安裝,現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)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(shí),底面和被焊鋼板下表面應(yīng)處于同一水平面內(nèi),焊后引熄弧板應(yīng)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(guò)程中,常見(jiàn)焊后引熄弧板翹起,這是因?yàn)橐ɑ“鍖儆赥形結(jié)構(gòu),自身強(qiáng)度低,而在焊接過(guò)程中,焊縫金屬在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生收縮(橫向收縮和縱向收縮)[5],因此產(chǎn)生壓縮塑性變形。兩端翹起的引熄弧板需要進(jìn)行火工校正使其重新恢復(fù)平整。

2.3 翻身時(shí)折斷

引熄弧板是探出母材邊緣的終端附屬件,當(dāng)母材焊接完正面時(shí),需要用吊車(chē)將母材翻身然后焊接反面,翻身過(guò)程中由于引熄弧板探出母材邊緣,因此成為翻身時(shí)受力點(diǎn),引熄弧板自身體積較小,與母材對(duì)接處無(wú)法封底焊接,強(qiáng)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(fèi)時(shí)間。

2.4 損傷母材

引熄弧板屬于臨時(shí)工藝板,焊接后必須拆除。拆除要求是氣割時(shí)要離開(kāi)母材5 mm,但是因?yàn)橐ɑ“迨桥c母材之間是滿焊在一起的,焊接處已經(jīng)融合為一體,拆除時(shí)由于焊肉的障礙,所以無(wú)法避免的會(huì)損傷了母材,埋下了質(zhì)量隱患,破損處極易出現(xiàn)氣孔類(lèi)缺陷,將對(duì)焊縫的性能造成不良影響[6],見(jiàn)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(dú)切割制作,現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求數(shù)量龐大,以21萬(wàn)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(dòng)焊方法(簡(jiǎn)稱(chēng)FCB法)工藝要求中,引熄弧板的制作,分為A、B、C、D 4種類(lèi)型,外形尺寸要求300 mm×300 mm,安裝精度要求高。

2.6 耗費(fèi)焊接材料

焊材定額數(shù)據(jù)表明,1 kg焊材可以安裝15～20塊引熄弧板,以此測(cè)算,一艘21萬(wàn)t散貨船的引熄弧板安裝需要耗費(fèi)焊材近1 t。

2.7 管理難度高

因?yàn)楹附庸に囈笠ɑ“迮c母材厚度相同,所以需要的板材種類(lèi)規(guī)格繁雜,引熄弧板在找料、放樣、號(hào)料、切割、分類(lèi)、保管、配套、交接、運(yùn)輸、回收以及報(bào)廢等過(guò)程中都需要專(zhuān)人打理,管理過(guò)程難度高。

2.8 安裝不規(guī)范

因?yàn)橐ɑ“骞芾黼y度高,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)的及時(shí)性就會(huì)有問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安裝急需時(shí),因?yàn)椴牧蠜](méi)有及時(shí)配送到位,所以引熄弧板安裝不規(guī)范的情況經(jīng)常出現(xiàn),例如,厚度與母材不一致,材質(zhì)與母材不同,外形尺寸或大或小,沒(méi)有加工出來(lái)與母材一致的坡口,安裝不平整,對(duì)接處沒(méi)有滿焊等,見(jiàn)圖2。

圖2 引弧板安裝不規(guī)范照片

3 問(wèn)題分析

3.1 梳理問(wèn)題的主次關(guān)系

首要問(wèn)題是切除引熄弧板后產(chǎn)生的破損缺陷,因?yàn)檫@直接影響下道工序的焊接質(zhì)量,埋下質(zhì)量隱患;其次是引熄弧板焊后變形和翻身折斷的問(wèn)題;再次就是如何保障現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中規(guī)范安裝的問(wèn)題以及降低管理難度和保障供應(yīng)的及時(shí)性、順序性、正確性和完整性。

3.2 分析問(wèn)題出現(xiàn)的原因

1)引熄弧板對(duì)母材的損傷其實(shí)是在引熄弧板安裝時(shí)對(duì)接口滿焊而造成的,因此焊接引熄弧板時(shí)已經(jīng)損傷了母材。

2)氣割切除引熄弧板時(shí)因?yàn)槭艿胶溉獾淖璧K,對(duì)母材造成第二次損傷。

3)引熄弧板翻身時(shí)被折斷和焊接收縮導(dǎo)致變形上翹這些問(wèn)題,是因?yàn)橐ɑ“灞旧淼捏w積小與母材對(duì)接位置無(wú)法封底焊接而造成的。

4)現(xiàn)場(chǎng)安裝不規(guī)范問(wèn)題是因?yàn)椴牧瞎?yīng)的及時(shí)性差造成的。焊接工藝要求非焊接的部位嚴(yán)禁進(jìn)行引弧[7],安裝不規(guī)范問(wèn)題必須杜絕。

5)管理難度高是因?yàn)橐ɑ“骞芾砹鞒虖?fù)雜和板材規(guī)格多。

6)焊材消耗量大是因?yàn)楹附庸に囍幸髮?duì)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(wèn)題是因?yàn)橐ɑ“迨且环N附屬件,且需求數(shù)量龐大。

4 創(chuàng)新的思路

4.1 綜合分析

船用鋼板種類(lèi)多,以20萬(wàn)t級(jí)的民用運(yùn)輸船型為例,各船企差異很大,鋼板種類(lèi)少則3 000多種,多則達(dá)4 300多種,這與船企的鋼材利用率指標(biāo)、設(shè)計(jì)水平,以及成本管理有關(guān),鋼材的種類(lèi)越多材料的利用率就高,但圖紙?jiān)O(shè)計(jì)難度、現(xiàn)場(chǎng)管理難度(分揀、配套、轉(zhuǎn)運(yùn)、保管、運(yùn)輸?shù)?也就更大,訂貨周期也越長(zhǎng)。

船用訂制鋼板在長(zhǎng)度和寬度方向都會(huì)留有余量,為了降低成本,寬度方向的設(shè)計(jì)余量較小,兩端約留10～20 mm,長(zhǎng)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(guān),所以通常情況下板材長(zhǎng)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(shè)備留有足夠的切割裕度;②防止切割時(shí)板材受熱膨脹變形,導(dǎo)致工件的外形尺寸出現(xiàn)誤差;③防止鋼板裝卸分揀時(shí)鋼板邊緣出現(xiàn)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(lái)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(tǒng)形式

創(chuàng)新前傳統(tǒng)的形式：板材數(shù)控切割下料圖,見(jiàn)圖3,傳統(tǒng)的套料設(shè)計(jì)形式通常是寬度方向余量較小,長(zhǎng)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(duì)接后需要滿焊,見(jiàn)圖4。

圖3 傳統(tǒng)板材下料時(shí)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(zhǎng)度和寬度方向的余量,在切割工件時(shí)將引熄弧板與工件一起切割出來(lái),使引熄弧板和母材(工件)本身成為完整的一體。

5 創(chuàng)新方法

套料是將船體零件按板厚材質(zhì)分類(lèi)后,布置到對(duì)應(yīng)的母材上,生產(chǎn)部門(mén)根據(jù)套料時(shí)生成的套料圖和套料程序?qū)摪寤蛐筒那懈畛闪慵Ｌ琢喜贾玫膬?yōu)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(yùn)用“一體化”的技術(shù)方法,在船舶設(shè)計(jì)建模和編制數(shù)控套料圖時(shí)將引弧板和母材組合在一個(gè)切割程序中。

5.1 方法一

定制板材長(zhǎng)度方向余量較大,在編制數(shù)控切割套料程序時(shí)將引弧板與母材工件設(shè)計(jì)成一體,利用這部分余量在切割母材(工件)時(shí),切割出半個(gè)引熄弧板(長(zhǎng)75 mm、寬100 mm),這半個(gè)引熄弧板與母材(工件)成為了一體,見(jiàn)圖5。數(shù)張板材拼接在一起,見(jiàn)圖6組成一個(gè)個(gè)完整標(biāo)準(zhǔn)的引弧板(150 mm×100 mm),引弧板與母材完美的融合在一起,同時(shí)也滿足了安裝工藝中的各項(xiàng)要求(厚度、材質(zhì)、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(wèn)題。但是由于無(wú)余量造船的水平不斷提升,應(yīng)用比例預(yù)計(jì)為15%～20%,主要集中于船體的艏部,艉部,機(jī)艙分段等線性較大和精度控制難度高的部位。

圖5 數(shù)控下料示意

圖6 創(chuàng)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(jiàn)圖7,可以只切割出一小部分局部引弧區(qū)域,然后再將引弧板對(duì)接在這個(gè)局部的引弧區(qū)域上組成一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)的引熄弧板。對(duì)接口設(shè)計(jì)在母材的余量區(qū)域,好處：①引熄弧板與母材的對(duì)接焊不會(huì)損傷母材本體;②切除引熄弧板時(shí)因?yàn)闆](méi)有對(duì)接焊肉的障礙,所以切割的斷面質(zhì)量好效率高。這種方法只能解決翻身時(shí)折斷,損傷母材和安裝不規(guī)范這3個(gè)問(wèn)題。因?yàn)榇朔椒ㄊ抢脼榱虽摬那懈畋仨毩粲械挠嗔?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(wèn)題。

圖7 創(chuàng)新后的形式示意圖(余量較小)

5.3 新方法應(yīng)用說(shuō)明

723分段(見(jiàn)圖8)重量110 t,是由外底板、內(nèi)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(duì)接焊縫36道,FCB對(duì)接焊縫6道,CO2氣體保護(hù)焊縫18道,焊接工藝要求所有的對(duì)接焊縫兩端均需要安裝引熄弧板。經(jīng)統(tǒng)計(jì)723分段共計(jì)60道對(duì)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(jiàn)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(gè)整體,不需要再單獨(dú)安裝引熄補(bǔ)板。

圖9 創(chuàng)新后的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片

2)內(nèi)底板余量較小,約20 mm,見(jiàn)圖10,無(wú)法切割出一個(gè)完整的引熄弧板,故考慮利用現(xiàn)有的余量切割出一個(gè)局部的引弧區(qū)域,然后將引熄弧板對(duì)接在這個(gè)局部引弧區(qū)域。因?yàn)轭A(yù)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(chuàng)新形式最大的好處是不會(huì)因?yàn)閷?duì)接處的焊接工作而損傷母材。

圖10 創(chuàng)新后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片(余量較小)

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

6 新方法的優(yōu)點(diǎn)

6.1 提高生產(chǎn)效率

1)以往引熄弧板都是人工號(hào)料逐一切割,創(chuàng)新后引熄弧板與母材一體是由數(shù)控程序和自動(dòng)化切割設(shè)備完成的。引熄弧板與母材形成一體后,不需要單獨(dú)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(dú)配送到現(xiàn)場(chǎng),可提高物流效率。

3)引熄弧板本體的強(qiáng)度提高,母材翻身時(shí)引熄弧板不會(huì)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(shí)吊環(huán)。

5)沒(méi)有對(duì)接焊肉的障礙,引熄弧板拆除時(shí)變得更加方便快捷。

6.2 保證焊接質(zhì)量

1)焊接質(zhì)量的好壞直接影響著船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,質(zhì)量,安全和壽命[9],引熄弧板與母材一起切割下來(lái)后,平整度,厚度,材質(zhì)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(zhì)量[10]。

2)可避免切除時(shí)產(chǎn)生的對(duì)焊縫端頭的母材損傷,消除下道工序焊縫接頭位置的質(zhì)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(fèi)共計(jì)12元。完工后切割下來(lái)的引熄弧板,經(jīng)過(guò)90°旋轉(zhuǎn),避開(kāi)凸起的焊縫后,還可以再重復(fù)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(cè)算,21萬(wàn) t散貨船的引熄弧板定額16 500塊,就可以節(jié)省大量的焊材。

3)人工成本。技術(shù)創(chuàng)新后降低了引熄弧板的找料、切割、號(hào)料、分揀、配盤(pán)、運(yùn)輸、接收、清點(diǎn)、吊運(yùn)、,保管等一系列工作的人工成本,按照工時(shí)計(jì)算,可以減少分段制作階段1.5%～2.0%的總工時(shí)量。

7 新方法的弊端

1)船體設(shè)計(jì)工作量增加,工藝設(shè)計(jì)階段建模的難度加大,在建模后船體結(jié)構(gòu)圖形中出現(xiàn)了很多“小耳朵”(引熄弧板)。為此,提出一個(gè)解決辦法,由生產(chǎn)制造部門(mén)的技術(shù)人員在套料圖和切割程序上入手,根據(jù)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?yàn)樵黾恿说入x子切割延長(zhǎng)米數(shù)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(shí)套料的難度。

8 結(jié)論

創(chuàng)新了一種預(yù)留引熄弧區(qū)域的技術(shù)方法,針對(duì)建造中的難點(diǎn)、堵點(diǎn)問(wèn)題,從生產(chǎn)設(shè)計(jì)源頭入手,有針對(duì)性地解決生產(chǎn)中存在的具體問(wèn)題,所以具有很強(qiáng)的實(shí)用性,適用于船體建造中的部件制作工序、平臺(tái)拼板工序、立體分段制作等多個(gè)工序,可有效解決引熄弧板在使用過(guò)程中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題,特別是第二種方法基本上可以適用于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)船企。