8 500 PCTC薄甲板分段制造工艺设计

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(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建厦门船舶重工股份有限公司，福建 厦门 361026)

厦船重工承建的8 500汽车滚装船，是目前全球最大容量的汽车滚装船[1]，可以装载小汽车、翻斗拖车、重型卡车等，最大装车量达8 500辆标准小汽车。该船总长199.9 m，型宽36.5 m，型深38.49 m，设计吃水9.35 m。全船共有13层车辆甲板和1层露天甲板(不装载汽车)。为了减轻船舶结构重量和降低重心高度，汽车甲板除第1、3、5甲板(厚18 mm)和8甲板(厚14 mm)外，其余甲板厚均≤7 mm，薄板量占全船甲板的比例较大。另外，舷侧风道、坡道、上层建筑等也以薄板结构为主。由于薄板刚性较弱，在转运、吊装、火工等工序控制难度大，极易发生变形[2]，因此，要提高滚装船建造质量，必须先解决薄板结构变形。关于薄板变形的问题，相关研究提出了一般的对策[3-4]。但随着船舶的大型化以及滚装船独特的结构形式，现有的工艺技术已经无法满足生产需要。这里考虑以汽车薄甲板(厚度≤7 mm)为例开展新工艺工法的研究，形成规范的制作工艺，保证甲板的精度。

1 汽车薄甲板结构特点

从汽车薄甲板结构情况看，其特点是板材薄、构件尺寸小。结构型式多采用纵骨架式，横向构架间距较大(间距2 100 mm)，纵向骨材较小，单个甲板的结构强度和刚度较弱，在建造过程中任何不正确操作都有可能产生不利影响，引起板架结构的变形。大量的绑扎件的装焊，也会增加甲板结构的变形。因此，在制造过程中必须加以严格控制，制定出合理方法，降低薄板在建造过程中的变形，保证分段精度和质量。

2 薄甲板分段制造工艺和工装

分段划分尺寸控制在12 m×12 m以内，保证吊装强度。甲板薄板结构变形的控制，关键是控制好建造过程中的每一个环节和步骤，明确各工序工位精度要求和控制要点[5]。在分段制造过程中，采用新工艺、工装来保证分段质量，如无码装配工艺、多头火工背烧机等。

2.1 板材与型材下料阶段

1)板材下料与堆放。甲板板材需采用激光切割，控制板边垂直度、直线度≤0.5 mm。其他板材可采用干式等离子切割，控制板边垂直度、直线度≤1 mm。甲板板材经过绑扎孔和周边切割后，由于受热不均衡，板片均存在横向拱度变形，需经校平机矫平，以释放出内应力，保证板材的横向平直度误差≤1 mm。校平后的板材应整齐堆放，堆放层数不能过多，以防止交错堆压二次变形。

2)型钢下料与对接。型材端部采用靠模切割，保证切割面的光滑平整。下料后的型材必须校直，单根需要对接的型材，必须先对接、焊后打磨，直线度检查合格后，方可上分段装配。型材对接后上片体分段装配示意见图1。

3)T型材制作。T型材腹板、面板下料后，先上矫平机分别进行矫平，然后在如图2所示专用工装上进行装配。采用角焊机进行焊接，焊后用火工矫正腹板，腹板直线度误差：≤3/10 000。若为高强度钢，则加热温度控制在600～700，只能空冷，不得用水冷却。T型材矫直后用辅助工装整齐摆放。

2.2 拼板阶段

1)拼板装配。拼板平台应有足够的刚度和表面平整度，板材需用电磁吊或专用夹具吊装。采用无码装配来取代传统的卡码定位工艺，使焊后的焊缝周边没有马脚，保证母材不受损伤，消除卡码撤除后的打磨工作。采用磁力压码(又称磁力无码拼板器)、活动码将板调整到位并固定。拼板板缝间隙≤1.0 mm，板面错边≤0.5 mm。定位焊采用小直径(d≤3.2 mm)焊条，定位焊应均匀一致，焊道长约30 mm，间距约300 mm，由中间往两边进行。

2)拼板焊接。拼扳焊接采用埋弧自动焊，板缝两端装引、熄弧板，焊前清洁。选择合适的焊材和焊接工艺参数，薄板的焊接变形在板厚5.5 mm时是一个比较明显的分界点，因此5.5 mm以下的板应选择更低的电流、电压，焊接参数见表1。

表1 埋弧自动焊焊接参数

焊接时可适当放置压载铁等重物约束变形，待焊缝冷却后移开。若有立柱区域的加厚板，则要特别注意控制变形。由于该位置坡口大、焊接量大，易产生局部横向弯曲变形。立柱处嵌入式加厚板的四角R处最后焊接。

拼板翻身采用翻转架或两端加排。焊后采用圆柱状压铁对板缝处进行滚压，以释放焊缝的焊接应力，减少变形。若需火工矫平，采用有2～3个加热嘴的火具加热，见图3，并采用双线同时背烧。

2.3 甲板分段装焊控制

2.3.1 选择实模胎架

薄板刚度较小、易变形，而8 500 PCTC 船甲板的长宽约有40种规格，如果选用传统的格子胎架支撑会存在局部区域无支撑、悬空，因此，选择实模胎架(钢板平台)，即在支柱上面铺设15 mm厚的钢板，作为制作分段的平台，以确保装焊过程中整体结构的平整度。胎架的水平度偏差不超过3 mm。不允许采用支点式胎架。

2.3.2 甲板分段装配

1)将预拼后的甲板铺设在实模胎架上，调整到位后，甲板四周用活洛卡码固定(卡码与甲板无点焊固定)，以减少自由边波浪变形。

2)结构划线。先划中心线、肋位基准线，再以基准线为基准进行结构划线。划线时，在长度方向每档(720 mm)加放0.75 mm，在宽度方向每档(715 mm)加放0.75 mm焊接收缩补偿量。

3)构件的装焊顺序。①纵向骨材 ②绑扎杯 ③纵向T型材 ④横向T型材 ⑤小构件。装焊顺序示意见图4。

构件的装配原则是先安装纵向型材，所有型材必须是先对接校直后才能上板装焊。注意控制纵骨的直线度、垂直度，尽量采用无码装配。用磁力直角器、磁力线型微调器、磁力压码和防倾倒工装码联合使用，进行装配固定，以减少垂直度偏差。采用CO2小直径焊丝作定位焊，定位焊要求均匀一致，在构件两侧交替分布。纵骨的焊接采用单头或者双头自动角焊机焊接，焊丝直径1.2，1.4 mm，从中间往两侧焊接，骨材较多时应采取间隔跳焊。3 m以上长焊缝，进行分段退缩焊以减少变形，并注意两端待焊区的焊接保留长度。焊后进行水火矫直，直线度偏差小于3 mm。

纵骨焊接完成后，再装纵向T型材、横向T 型材和扁钢等。构件通过拼板焊缝位置采取将焊缝余高磨平的方式进行装配，禁止在构件上开通焊孔。T型材的装配要注意保证与甲板的垂直度，采用CO2半自动焊接，不允许采用手工电弧焊。焊接顺序：先立角焊后平角焊，从分段中部逐渐向左右、前后对称施接。

2.3.3 绑扎杯的装焊

汽车甲板较薄，且装有大量不同型式绑扎杯及波浪绑扎条。由于焊接工作量大，易产生变形，因此施工过程中应选用合适的焊接参数和焊接顺序，控制焊接变形[6]。绑扎杯型式有A、B、C、D及 E 型，按不同绑扎杯选择合适的坡口及焊接形式。下面以C 型绑扎杯为例，阐述装焊过程。

1)绑扎杯中心与绑扎孔中心对齐，绑扎杯与甲板推紧无间隙。

2)定位焊。把绑扎杯分为三等分位置点焊，3点间相距 120°，定位焊缝长度 10～15 mm，点焊厚度 3～4 mm，点焊收弧处必须收弧。定位焊应使用与正常焊接时相同的焊接材料(低氢型焊条或二氧化碳焊丝)。定位焊缝如存在气孔、夹渣等缺陷，应清除后重新定位焊。

3)焊接材料。手工电弧焊仅用于装配点焊，采用低氢型焊条，如 J506、J507 等，施焊前低氢型焊条应烘干处理；焊接采用CO2气体保护焊， 3Y级药芯焊丝。

4)焊接过程中注意事项。采用专用钢杯焊接设备(或手工 CO2)焊接，控制焊接顺序，减少变形。焊后效果见图5。

采用多层多道焊工艺，每道焊缝接头应相互错开 50 mm。将甲板分为前后左右四块区域，由双数焊工从中间向两边对称施焊。为了防止热量集中造成较大的变形，可间隔焊接。焊后检查焊缝表面是否存在焊接缺陷，有缺陷处用碳弧气刨清除后打磨补焊。水密绑扎杯焊缝应逐一进行抽真空试验(V.T)检查密性。

其余绑扎杯装焊方法与C型绑扎杯相似。

2.4 甲板分段火工矫正

采用火工矫正消除焊接引起的变形。

2.4.1 火工矫正基本工艺参数的选择

在薄板火工矫正操作中，加热方法、加热温度、加热嘴号、水火距、焰心距离等基本工艺参数的选择对薄板火工矫正尤其重要[7]。火工参数见表2。

表2 火工参数

2.4.2 火工矫正工艺要领

1)分段在胎上完整性检查之后，脱胎翻身，呈水平放置，分段四周及内部的十字强档位置用支撑撑住，保证甲板的水平，然后才能进行火工。

2)甲板火工应从中间向四周方向进行。采用圆圈点加热和带状加热组合的矫正方法加热方式点状加热和线状加热。若变形面积较大，则应每间隔一档进行火工，先矫正小变形，后矫正大变形。甲板火工方法见图6。

骨材、桁材与甲板焊接处，采用点状加热和背面水冷方法进行，小变形处可采用直线加热。对于较难矫正的大变形，当变形超过20 mm时，应采用借助外力辅助的火工方法进行。

3)当型材与甲板同时变形的时候，应先火工矫正型材再火工甲板。型材火工，采用在2/3高度处三角形加热[8]。

4)原则上不允许用锤锤击甲板。如使用锤击时必须正确使用垫锤，不允许锤子直接敲击在甲板上。

3 甲板分段完工检验

1)甲板平面度检查。分段火工矫正结束后，要相应检查其甲板平面度，保证合拢面的水平偏差≤3 mm。由于营运时汽车甲板将承受装载重力而产生一定的向下挠曲，因此分段制作时甲板中间部分不允许有下凹现象。

2)余量划线与切割。将结构面的基准线(中心线和肋位检验线)返出到甲板面，以基准线为依据测量分段长度、宽度。对照分段完工测量图和精度控制图，确定四周余量值，划出余量切割线和100 mm 检查线(对合线)，甲板四周保留5 mm的补偿量。为了提高切割质量和减少变形，采用有轨的半自动切割机切割，直线度偏差≤2 mm。

3)完工交验合格后，送涂装房涂装。

4 结论

从分段制作结果来看，分段质量达到预定要求，且建造速度有一定提高。8 500 PCTC船顺利建成，表明上述工艺设计实用可行。薄甲板变形的主要原因是焊接变形和施工过程中各道工序不正确的操作，关键是过程控制，难点在于薄甲板的焊接与火工矫正。分段制造各工序阶段的具体工艺措施，可供同类型船舶建造参考。