В области судостроения качество сварных соединений толстолистовых листов напрямую влияет на безопасность, долговечность и усталостную прочность конструкции судна. Технология двусторонней зачистки и формовки корня сварного шва, являющаяся основным процессом сварки толстых листов (например, при большой сборке секций корабля, прочных палуб и боковых переборок в ключевых частях), обеспечивает полный провар сварного шва и отсутствие внутренних дефектов за счет выполнения двухсторонней сварки и тщательного устранения корневых дефектов. Это одно из обязательных требований к качеству сварки судов, установленных Китайским классификационным обществом (CCS). В этой статье систематически анализируются требования спецификаций, ключевые моменты процесса и инженерные применения технологии двусторонней очистки и формовки корня сварки в сочетании с такими стандартами, как «Правила классификации стальных торговых судов» (2021 г.), «Испытания на сварку судов» и «Стальные сварные сосуды под атмосферным давлением» (NB/T 47015).

I. Техническая сущность и нормативное положение двухсторонней сварки при удалении корня

Технология двусторонней сварки с зачисткой корня относится к полному процессу использования методов двусторонней сварки (таких как сварка под флюсом, сварка в среде защитного газа CO₂ и т. д.), после завершения сварки переднего сварного шва механическими или термическими методами для удаления неплавких, шлаковых и газопористых дефектов в корне сварного шва, а затем выполнения задней зачистной сварки корня сварного шва. Его основная цель — обеспечить полное проваривание сварного шва и отсутствие внутренних дефектов, а также соответствие классам качества сварного шва (таким как класс A, класс B), требуемым CCS. В соответствии со статьей 2.2.4 главы 2 части 3 CCS «Классификационные спецификации стальных судов» «Для стыковых сварных швов ответственных конструкций (таких как балки корпуса, прочные шпангоуты, боковые наружные листы и т. д.), несущих статические или динамические нагрузки, когда толщина листа превышает эффективную толщину односторонней сварки, указанную в стандарте, следует применять двустороннюю сварку или сварку с полным проплавлением, эквивалентную двусторонней сварке». Среди них: «Формирование с очисткой корней» является ключевым шагом для достижения «полного провара», и его качество напрямую влияет на несущую способность и сопротивление распространению трещин сварного шва.

II. Технические требования спецификаций CCS для двусторонней очистки корня сварного шва

Компания CCS предложила систематическую спецификацию технологии формирования зазора корня двусторонней сварки, охватывающую такие аспекты, как выбор материала, конструкция фаски, процесс очистки, стандарты контроля и контроль доработки. Ключевые моменты заключаются в следующем: 1. Требования к материалам и сварочным материалам: Двусторонний сварочный зазор применим к конструкционным сталям, указанным в правилах CCS для судовых конструкций (таким как AH32, DH36, EH36 и т. д., высокопрочные стали), и должен соответствовать требованиям «Конструкционная сталь для судов». Для листов толщиной более 30 мм требуется повторный ультразвуковой контроль (УЗК) на отсутствие расслоений, включений и других дефектов (ст. 3.2.1 «Правил классификации судов по стали»).

1. Сертификация сварочных материалов: сварочные материалы (сварочные стержни, сварочная проволока, сварочный флюс) должны быть одобрены продукцией CCS (например, «Правила испытаний для распознавания судовых сварочных материалов»), а их прочность должна соответствовать прочности основного материала. Например, при сварке стали ЭН36 следует выбирать маловодородные щелочные сварочные прутки (например, J507RH) или высокопрочные проволоки для дуговой сварки под флюсом (например, ER50-6), чтобы обеспечить прочность, ударную вязкость и трещиностойкость металла шва не ниже, чем у основного материала.

2. Конструкция канавок и форма канавок предварительной обработки: В зависимости от толщины пластины и конструктивного положения компания CCS рекомендует использовать X-образные или двойные V-образные канавки (рис. 1). При двусторонней сварке можно снизить риск неполного проваривания корня. Угол разделки α обычно составляет от 60° до 70°, радиус скругления p ≤ 2 мм (при толщине листа ≤ 25 мм) или p ≤ 3 мм (при толщине листа > 25 мм), а корневой зазор b ≤ 2 мм (согласно «Сварочные канавки для судовых конструкций»).

Требования к предварительной обработке: перед сваркой необходимо очистить канавку и участок шириной 20 мм с обеих сторон от загрязнений, таких как масло, ржавчина и оксидная окалина (статья 5.2.1 «Испытания на одобрение процесса сварки судна»); для высокопрочных сталей (таких как EH36) необходим предварительный пламенный нагрев (с температурой предварительного нагрева ≥ 100 ℃), чтобы снизить скорость остывания сварного шва и предотвратить образование холодных трещин.

3. Процесс очистки корней и рабочие характеристики. Метод очистки корней. Разрешенные методы очистки корней с помощью CCS включают строжку угольной дугой (CJP), фрезерование или плазменную резку. Строжка угольной дугой является предпочтительным методом (из-за дешевизны и высокой эффективности), но параметры газовой резки должны строго контролироваться (ток 180-250А, давление сжатого воздуха 0,5-0,6МПа) во избежание образования науглероженных слоев или медных пятен (влияющих на последующее качество сварки).

Глубина и форма зачистки корня: После зачистки корня металлическая поверхность должна иметь металлический блеск и не должно быть никаких дефектов, таких как неполное проваривание или шлаковые включения у корня; радиус основания скоса r ≥ 2 мм (для Х-образного скоса) или r ≥ 1,5 мм (для V-образного скоса), а кромка скругления p ≤ 1 мм (в соответствии с GB/T 19868-2005). Для сварных швов толщиной пластины более 30 мм рекомендуется выполнять зачистку корня в два этапа (зачистку до 2-3 мм от тыльной поверхности на первом этапе и тщательную очистку на втором этапе) для обеспечения плавного формирования заднего шва.

4. Задняя сварка во время сварки и послетермической обработки: После зачистки корня, тыльную сварку необходимо проводить сразу с использованием тех же сварочных материалов и процессов, что и лицевую (например, при сварке под флюсом ток 180-220А, напряжение 28-32В, скорость 35-45см/мин). Следите за тем, чтобы толщина двухстороннего сварного шва была одинаковой и не было подрезов (глубина подреза должна быть ≤ 0,5 мм, а длина – ≤ 10 % от общей длины сварного шва).

Последующий нагрев и изоляция: для высокопрочных сталей (таких как EH36) или когда температура окружающей среды ниже 5 ℃, после завершения сварки требуется последующая нагревная обработка (при температуре 200–300 ℃, с временем изоляции 1–2 часа) для устранения остаточных сварочных напряжений и предотвращения водородных трещин (согласно CCS «Спецификация классификации стальных судов» 3.3.4).

5. Стандарты контроля качества и приемки – неразрушающий контроль (NDT): 100% радиографический контроль (RT) должен проводиться для сварных швов двусторонней сварки. RT должен проводиться в соответствии с GB/T 3323-2005 «Радиографический контроль сварных соединений при сварке плавлением металлов» и считается квалифицированным на уровне B (со степенью дефектности, не превышающей уровень II). (УТ также можно провести, но у меня мало знаний об этом. Я обязательно изучу больше о том, как UT проводит проверку, когда у меня будет время.)

Проверка внешнего вида: Поверхность сварного шва должна быть гладкой и бесшовной, без трещин, пор и шлаковых включений. Превышение высоты должно составлять от 0 до 3 мм (для Х-образного паза) или от 0 до 4 мм (для V-образного паза). Ширина должна быть увеличена не более чем на 2 мм с каждой стороны по сравнению с пазом (приложение 1 «Правил классификации стальных судов»).

6. Ключевые моменты контроля качества и распространенные проблемы, которых следует избегать: Недостаточная очистка корня: это может привести к неполному сращению корня. Глубину очистки необходимо подтвердить повторным УЗ-контролем (≥ 80 % толщины листа) и проверить форму с помощью специальных калибров (например, канавок).

Водородные трещины: при сварке высокопрочной стали необходимо строго контролировать температуру предварительного нагрева (≥100 ℃) и температуру промежуточного слоя (≤ 250 ℃), чтобы избежать образования холодных трещин.

Контроль доработок: При обнаружении дефектов при проверке доработки должны быть проведены в соответствии с требованиями СКС «Квалификационные испытания сварочного процесса для судов» (количество доработок на одном и том же участке не должно превышать 2 раз). После доработки испытания UT/RT необходимо провести повторно.

Заключение

Технические спецификации, установленные Китайским классификационным обществом для процесса формования двусторонней сварки с зачисткой корней, являются «жесткими ограничениями» для качества строительства судов. Благодаря подбору материалов, оптимизации канавок, контролю процесса очистки корней и строгим проверкам можно эффективно обеспечить полный провар сварного шва, тем самым повышая безопасность и надежность конструкции судна.