焊接船体接头设计指南

焊接船体接头设计指南
第一批全焊船在第二次世界大战之前建造。

4000多艘焊接船在二战期间建成。

有些船在结构上出现了重大失误，有脆性裂纹。

这种问题在‘自由号’轮船上尤为突出。

政府和船舶行业立即就该问题展开了广泛的调查研究。

大多数主要问题不是甲板、底壳的结构交叉敏锐区焊缝有缺陷，就是结构横截面发生一些其它突变。

随着性能较好的新钢种的出现，船体的设计也得到了改善。

为了帮助焊工、监管部门，以及设计建筑工程师，美国焊接协会出版了D3.5-93，《钢体焊接指南》，该指南收集了造船中早期研究的成果及其新发展。

以下便是该指南中的主要内容。

主要受力构件
第1类主要受力构件是甲板、船壳、纵向横梁，它们是整个船体承受扭矩（力矩）的重要部件。

这些扭矩是由于船体的颠簸和货物、燃料、平衡物体载重引起的，船体的中部附近扭矩最大。

在这些区域内，应该应避免有问题的设计和制造工艺缺陷。

第2类的受力构件是与主要受力构件相连接的部件。

如船底龙骨、防波板、甲板室、舱口栏板的安装和系船配件。

当这类构件与主船体连接时，它的受力情况与主船体同等重要。

因此，必须像研发检验主船体一样，认真研发检验这些构件。

只要有可能的话，舷缘列板最好不采用焊接附件，包括临时附件，焊接箱悬杆等。

虽然内甲板、舱壁和腹板架被视为第2类的受力构件，但它们经常会产生很严重的裂纹。

因此，在工程施工时，该结构构件和焊接构件都应仔细设计施工。

设计明细
槽口
除了材料和温度的因素外，影响脆性最重要的因素就是槽口的作用。

把无槽口的试板与有槽口的试板的抗拉强度随温度变化曲线作个比较。

研究表明：当温度降低时，两种试板的抗延展性都有所降低。

结构性不连续
在此，结构性不连续是指构件外型轮廓的任何突变，而不是指出现槽口或裂纹。

这些突变（也称为应力增加器）会把附近区域的应力增加到远超过平均应力的水平。

举个例子，环形开口处边缘的应力强度大约是平均强度的3倍。

因此，在应力高得异常的区域有尖锐槽口或缺陷是很危险的。

所以在结构突变附近都应省掉如坡口焊缝、小插入板和排水孔诸如此类的设计。

建议在这些区域对工艺进行特殊控制。

有两个容易出故障的例子，一个例子是槽口安装在应力增加器上，这个应力增加器由方形钢板组成。

这种钢板焊接在舷缘列板的顶部。

第2个是原二战自由号轮船舱口角也是如此。

为避免焊接连接困难，许多甲板防护栏没有直接焊接到舷缘列板，而是独立支撑在甲板托架上。

由于设计的原因，在拐角接头处实际上不可能完全吻合，焊缝也不尽人意。

当然，
这种设计就会产生很多问题。

图3展示了一种经改良后的无故障设计。

在定位开孔，如舱口、出入口、通风开口和管道系统时，一是要避免穿过甲板或船壳形成相互靠近成一条直线的孔或开口，二是要避免交错开孔靠得过近，引起应力集中。

由于开孔周围应力增加，应对开孔进行园角处理（园弧过度），如有需要的话，还要加固开孔。

园角和开孔加固
不管开孔加固是什么类型，都应该提供一个大半径的园角过渡。

对大舱口开孔来说，建议园角半径大约在舱口宽度的1/24，最小半径12 in.-如图4所示。

如果是集装箱运货船，那么园角半径必须尽可能小，以让船舱两端的集装箱周围失去的空间减至最小。

由于会产生应力变形，对于舱口、大排水孔等来说，椭圆形切口用得更频繁。

对在船体和楼梯间周围的小开孔等，一般使用6 in.（150mm）的半径。

在船体上层或甲板室两边的窗户和门实行圆角切口过渡至关重要，尤其是长形船体上层的两端附近。

在切割这些园角时要尽量做到一致。

大开孔的加固装置是插入一块大板，把它作为甲板或船壳板的一部分。

建议不要使用小型插板。

大约10ft（3m）宽的开孔处必须用舱口栏板或插入板加固。

通常对加固装置来说没有必要超过开孔尺寸大小的40%到50%。

在有些情况下，过分的加固装置有害无益。

焊缝收缩变形
为了防止焊缝收缩变形，施焊时就要插入小型厚板，这是产生焊接故障的来源。

主要危险是在焊接过程中会在焊缝中产生裂纹。

因此，不宜提倡使用小插件的开孔加固装置。

当不得不插入工件或者插补板时，必须采取特殊的焊接预防措施。

当一个刚性构件插入到平板中间时，就会发生不同形式的焊缝收缩和结构性不连续。

平板的自然收缩受到刚性构件的影响，而形成应力集中点。

钢板的弯曲经常会引起应力增加并超过其材料的屈服点。

当在腐蚀媒质（如盐水）中出现这种应力时，会引起钢板表面的锈蚀、剥落。

这局部的锈蚀剥落使钢板的新鲜表面不断的暴露出来，这就加速了整体钢板的腐蚀。

此种类型裂纹也发生在两个钢板的交接处（如，舱壁和甲板），初始的应力从一个钢板转移到另一个钢板。

为了消除这一隐患，应在每个钢板安装一个长形连接托架，为应力变形提供一个平滑的过渡区。

手工焊
大多数情况下，关于零部件的装配、定位和接头详图在设计阶段就已经确定下来了。

但是，设计者在设计时，必须考虑到具体焊接接头的实际位置，以及采用什么工艺来打造焊缝。

否则，施焊时的情况变化都要付出高昂的代价。

下列几点在提供优质焊缝方面至关重要：
1：提供合理、简易的接头，坡口准备和背面清理或清根。

2：提供合理、简易的焊接操作规范，让焊工能恰当定位、运作焊条及清理焊道。

单面焊缝坡口
有衬垫
有衬垫的单面焊用于方向舵、舱底、船脊骨的焊接。

但是，这种单面焊方法在打底焊时应该尽量用小规范焊接。

坡口的形状和角度将主要取决于所用焊接工艺和钢板的厚度。

根部开口需足够大，以使其根部接头能完全熔透。

如果接头坡口设计没有衬托装置，就必须提供一个衬垫条。

在打底焊之前，就把这个衬垫条熔焊到焊缝的背面形成永久性的衬垫。

舱底船脊骨搭接桥的焊接一定要小心操作，焊缝接头应该完全熔透，但是又不要焊到壳板拼接处。

根部间隙一般应小于3/16in（5mm）。

方形坡口可用于连接小于等于1/4 in.（6mm）厚的薄
板，根部间隙不要小于材料的厚度。

为了让焊缝收缩和对变形的影响最小化，尽可能地节约经济成本，坡口焊缝需要的焊接金属应是生成一个合理焊接接头所需的最小量。

在坡口角度小于60度为宜的地方，如在厚板中，根部间隙应增大，为焊条的准确定位提供方便。

当根部间隙增加时，坡口角度可能要减小到大约20度。

举个例子，在2in.的板中，如果根部间隙是1/2 in.，通常20度的坡口角度就行。

由于SAW，GMAW和FCAW工艺熔深更深，其坡口角度与采用SMAW（埋弧焊）工艺的坡口角度相比有所减小。

像两块钢板对接的坡口焊缝，也必须在对接部分采用单面焊。

在对接区有两种方法形成坡口。

一种方法是让整个坡口呈单V型，然后在此区从板边去除足够的材料，使其钢板下部能完全熔化。

此法适用于薄板，方法1。

第2种方法适用于厚板，对接部分为双V形坡口，方法2。

没有衬垫
几家美国船厂用双丝串联电弧埋弧工艺来焊接厚度达到3/4 in（19mm）的钢板。

这双丝串联电弧的焊道熔敷率高，能轻松去除焊剂，并且能很好控制焊缝的背部成型。

而不需要把钢板翻转焊接和打磨抛光，实践证明是一种提高生产率的有效方式。

表面有焊剂的铜衬垫条在这项工艺中用来支撑焊缝的背面。

变焊接为铆接
虽然铆钉在新船中基本上不存在，铆接通常在对旧船进行修理或改造时才遇到。

在这种情况下，把接缝从焊接变成铆接必须经过精心策划，以不让尖槽口留在接缝末端。

去除尖槽口的一种方法就是在离焊缝末端一段短距离内钻孔。

成形坡口焊缝
型材的坡口焊接
圆头角钢、厚壁和组合型材的坡口焊缝尤为重要，特别是当应用涉及到主要受力构件时。

角钢面厚度可达到支柱或腹板厚度的四倍。

实践表明，如果接头不好，这些构件里较厚部分极有可能留有气孔或裂纹。

螺柱焊
除非特殊需要，一般不用采用螺柱焊。

有需要时，方型螺柱头比园形螺柱头好。

通常情况下，螺柱的宽度是板厚的11/2倍，长度大约是宽度的3倍。

螺柱间的中心距不应超过板厚的18倍。

有时螺柱与母材金属完全融合，需要平整焊缝表面。

满足一般要求的一种方法是把螺柱头加工带有一个小凸台，焊接时电弧围绕凸台周围燃烧。

小凸台与母材金属融合，提供一个平滑齐平的表面。