Im Schiffbau wirkt sich die Qualität der Schweißverbindungen dicker Bleche direkt auf die Sicherheit, Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Schiffsstruktur aus. Die doppelseitige Schweißwurzelreinigungs- und -formungstechnologie als Kernprozess für das Schweißen dicker Bleche (z. B. bei der großen Montage von Schiffsabschnitten, starken Decks und seitlichen oberen Schotten an wichtigen Teilen) gewährleistet die vollständige Durchdringung der Schweißnaht und das Fehlen interner Defekte durch doppelseitiges Schweißen und gründliches Entfernen von Wurzeldefekten. Dies ist eine der verbindlichen Anforderungen an die Schiffsschweißqualität, die von der Chinese Classification Society (CCS) festgelegt wurden. Dieser Artikel analysiert systematisch die Spezifikationsanforderungen, Prozessschwerpunkte und technischen Anwendungen der doppelseitigen Schweißwurzelreinigungs- und Formungstechnologie in Kombination mit Standards wie „Steel Merchant Ships Classification Rules“ (2021), „Welding Test for Ships“ und „Steel Welded Atmospheric Pressure Vessels“ (NB/T 47015).

I. Das technische Wesen und die normative Positionierung des doppelseitigen Schweißens zur Wurzelentfernung

Unter der Technologie zur Wurzelbeseitigung beim doppelseitigen Schweißen versteht man den gesamten Prozess der Verwendung doppelseitiger Schweißverfahren (z. B. Unterpulverschweißen, CO₂-Schutzgasschweißen usw.) nach Abschluss des Schweißens der vorderen Schweißnaht durch mechanische oder thermische Methoden zur Entfernung von Nichtschmelz-, Schlacken- und Gasporositätsfehlern an der Wurzel der Schweißnaht und anschließender Durchführung des Wurzelbeseitigungsschweißens auf der Rückseite. Sein Hauptziel besteht darin, sicherzustellen, dass die Schweißnaht vollständig durchdrungen ist und keine inneren Fehler aufweist, sodass die von CCS geforderten Schweißqualitätsstufen (z. B. A-Klasse, B-Klasse) erfüllt werden. Gemäß Artikel 2.2.4 von Kapitel 2 von Teil 3 der „Stahlschiffsklassifizierungsspezifikationen“ des CCS „sollte bei Stumpfschweißungen von kritischen Strukturen (wie Rumpfträgern, starken Rahmen, seitlichen Außenplatten usw.), die statischen oder dynamischen Belastungen standhalten, doppelseitiges Schweißen oder ein dem doppelseitigen Schweißen entsprechendes Volldurchschweißen angewendet werden, wenn die Blechdicke die in der Norm angegebene effektive Dicke des einseitigen Schweißens überschreitet.“ Die „Wurzelräumung“ ist der entscheidende Schritt zur Erzielung einer „vollständigen Durchdringung“ und ihre Qualität wirkt sich direkt auf die Tragfähigkeit und den Rissausbreitungswiderstand der Schweißnaht aus.

II. Technische Anforderungen der CCS-Spezifikationen für die doppelseitige Schweißwurzelreinigung

CCS hat eine systematische Spezifikation für die Technologie zur Bildung des Wurzelspalts beim doppelseitigen Schweißen vorgeschlagen, die Aspekte wie Materialauswahl, Fasendesign, Reinigungsprozess, Inspektionsstandards und Nacharbeitskontrolle abdeckt. Die Kernpunkte sind wie folgt: 1. Anforderungen an Materialien und Schweißmaterialien: Der doppelseitige Schweißwurzelabstand gilt für die in den CCS-Vorschriften für Schiffskonstruktionen festgelegten Baustähle (z. B. AH32, DH36, EH36 usw., hochfeste Stähle) und muss den Anforderungen von „Baustahl für Schiffe“ entsprechen. Bei Blechen mit einer Dicke von mehr als 30 mm ist eine erneute Ultraschallprüfung (UT) erforderlich, um sicherzustellen, dass keine Delaminierung, Einschlüsse oder andere Mängel vorliegen (Artikel 3.2.1 der „Stahlregeln für die Klassifizierung von Schiffen“).

1. Zertifizierung von Schweißmaterialien: Schweißmaterialien (Schweißstäbe, Schweißdrähte, Schweißpulver) müssen von CCS-Produkten zugelassen sein (z. B. die „Prüfregeln für die Anerkennung von Schiffsschweißmaterialien“) und ihre Festigkeit muss mit der des Grundmaterials übereinstimmen. Beim Schweißen von EH36-Stahl sollten beispielsweise alkalische Schweißstäbe mit niedrigem Wasserstoffgehalt (z. B. J507RH) oder hochfeste Unterpulverschweißdrähte (z. B. ER50-6) ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Festigkeit, Zähigkeit und Rissbeständigkeit des Schweißguts nicht geringer sind als die des Grundmaterials.

2. Rillendesign und Vorbehandlungsrillenform: Basierend auf der Plattendicke und der strukturellen Position empfiehlt CCS die Verwendung von X-förmigen oder doppelt V-förmigen Rillen (Abbildung 1). Beim doppelseitigen Schweißen kann das Risiko einer unvollständigen Wurzelverschweißung verringert werden. Der Nutwinkel α beträgt normalerweise 60° bis 70°, der Kehlradius p ≤ 2 mm (für Blechdicke ≤ 25 mm) oder p ≤ 3 mm (für Blechdicke > 25 mm) und der Wurzelspalt b ≤ 2 mm (gemäß „Schweißrillen für Schiffsstrukturen“).

Vorverarbeitungsanforderungen: Vor dem Schweißen müssen die Nut und der 20-mm-Bereich auf beiden Seiten gereinigt werden, um Verunreinigungen wie Öl, Rost und Oxidablagerungen zu entfernen (Artikel 5.2.1 des „Schiffsschweißprozess-Zulassungstests“); Bei hochfestem Stahl (z. B. EH36) ist eine Flammenvorwärmung (mit einer Vorwärmtemperatur von ≥ 100 °C) erforderlich, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht zu verringern und Kaltrisse zu verhindern.

3. Wurzelreinigungsprozess und Betriebsspezifikationen Wurzelreinigungsmethode: Zu den von CCS zugelassenen Wurzelreinigungsmethoden gehören Kohlenstofflichtbogenhobeln (CJP), Fräsen oder Plasmaschneiden. Das Kohlelichtbogen-Fugenhobeln ist die bevorzugte Methode (aufgrund der geringen Kosten und der hohen Effizienz), aber die Gasschneideparameter müssen streng kontrolliert werden (Strom 180–250 A, Druckluftdruck 0,5–0,6 MPa), um die Bildung von aufgekohlten Schichten oder Kupferflecken (die die spätere Schweißqualität beeinträchtigen) zu vermeiden.

Tiefe und Form der Wurzelentfernung: Nach der Wurzelentfernung sollte die Metalloberfläche einen metallischen Glanz aufweisen und es dürfen keine Mängel wie unvollständige Verschmelzung oder Schlackeneinschlüsse an der Wurzel vorhanden sein. Der Radius des Grundes der Fase ist r ≥ 2 mm (für X-förmige Fase) oder r ≥ 1,5 mm (für V-förmige Fase) und die Kehlkante p ≤ 1 mm (gemäß GB/T 19868-2005). Bei Schweißnähten mit einer Blechdicke von mehr als 30 mm wird empfohlen, die Wurzelentfernung in zwei Schritten durchzuführen (in der ersten Phase bis zu 2–3 mm von der Rückseite entfernt und in der zweiten Phase gründlich freizumachen), um sicherzustellen, dass die hintere Schweißnaht glatt geformt wird.

4. Rückseitenschweißen während des Schweißens und der Nachwärmebehandlung: Nach der Wurzelreinigung muss das Rückseitenschweißen sofort mit den gleichen Schweißmaterialien und -verfahren wie auf der Vorderseite durchgeführt werden (zum Beispiel beträgt beim Unterpulverschweißen der Strom 180–220 A, die Spannung 28–32 V und die Geschwindigkeit 35–45 cm/min). Stellen Sie sicher, dass die Dicke der doppelseitigen Schweißnaht gleichmäßig ist und kein Hinterschnitt vorhanden ist (die Tiefe des Hinterschnitts sollte ≤ 0,5 mm und die Länge sollte ≤ 10 % der Gesamtlänge der Schweißnaht betragen).

Nacherwärmung und Isolierung: Bei hochfesten Stählen (z. B. EH36) oder wenn die Umgebungstemperatur weniger als 5 °C beträgt, ist nach Abschluss des Schweißens eine Nacherwärmungsbehandlung (bei einer Temperatur von 200–300 °C, mit einer Isolierungszeit von 1–2 Stunden) erforderlich, um Schweißeigenspannungen zu beseitigen und wasserstoffinduzierte Risse zu verhindern (gemäß CCS „Steel Ship Classification Specification“ 3.3.4).

5. Qualitätsprüfungs- und Abnahmestandards – Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Für die Schweißnähte des doppelseitigen Schweißens muss eine 100 %ige Durchstrahlungsprüfung (RT) durchgeführt werden. Die RT muss gemäß GB/T 3323-2005 „Radiographic Testing of Welded Joints in Metal Fusion Welding“ durchgeführt werden und gilt als qualifiziert auf der B-Ebene (mit Fehlergraden, die die Ebene II nicht überschreiten). (UT kann auch durchgeführt werden, aber ich habe nicht viel Wissen darüber. Ich werde auf jeden Fall mehr darüber studieren, wie UT die Inspektion durchführt, wenn ich Zeit habe.)

Prüfung des Aussehens: Die Oberfläche der Schweißnaht sollte glatt und nahtlos sein, ohne Risse, Poren oder Schlackeneinschlüsse. Die Überhöhe sollte 0 bis 3 mm (für X-förmige Nut) oder 0 bis 4 mm (für V-förmige Nut) betragen. Die Breite sollte auf jeder Seite gegenüber der Nut um nicht mehr als 2 mm vergrößert werden (Anhang 1 des „Code for Classification of Steel Ships“).

6. Wichtige Punkte für die Qualitätskontrolle und häufige zu vermeidende Probleme: Unzureichende Wurzelreinigung: Dies kann zu einer unvollständigen Verschmelzung an der Wurzel führen. Es ist notwendig, die Reinigungstiefe durch erneute UT-Inspektion (≥ 80 % der Plattendicke) zu bestätigen und die Form mit speziellen Lehren (z. B. Nutlehren) zu überprüfen.

Durch Wasserstoff verursachte Risse: Beim Schweißen von hochfestem Stahl ist es notwendig, die Vorwärmtemperatur (≥100℃) und die Zwischenschichttemperatur (≤250℃) streng zu kontrollieren, um Kaltrisse zu vermeiden.

Nacharbeitskontrolle: Wenn bei der Inspektion Mängel festgestellt werden, müssen Nacharbeiten gemäß den Anforderungen des CCS „Welding Process Qualification Test for Ships“ durchgeführt werden (die Anzahl der Nacharbeiten für denselben Bereich darf das Zweifache nicht überschreiten). Nach der Nacharbeit müssen UT/RT-Tests erneut durchgeführt werden.

Abschluss

Die von der China Classification Society festgelegten technischen Spezifikationen für das doppelseitige Schweißwurzelbeseitigungsverfahren stellen „harte Einschränkungen“ für die Qualität des Schiffsbaus dar. Durch Materialabstimmung, Nutoptimierung, Kontrolle des Wurzelreinigungsprozesses und strenge Inspektionen ist es möglich, die vollständige Durchdringung der Schweißnaht wirksam sicherzustellen und so die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Schiffsstruktur zu erhöhen.