Технические новинки Vol.11

НОВЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ ОТВЕЧАЮТ ПОСЛЕДНИМ ТРЕБОВАНИЯМ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ

Самые разные грузовые суда бороздят моря и океаны всего мира. Сухогрузы, нефтеналивные танкеры и контейнеровозы должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять тайфунам и другим суровым погодным явлениям, а также сильным волнам, которые подвергают корпуса судов огромной нагрузке. В то же время, стоимость судостроения должна удерживаться под контролем, чтобы судовые перевозки были экономичными. Сварочные процессы играют большую роль в сокращении производственных расходов, так как при строительстве грузовых судов производится сварка огромного объема стали (35000 MTN и более для супертанкера VLCC с дедвейтом 300 тысяч тонн). Стоимость судостроения может быть снижена также путем облегчения судовых корпусов за счет использования стали повышенной прочности. В данной статье говорится о последних технических направлениях в строительстве грузовых судов, а также о новейших сварочных материалах и процессах, разработанных компанией Kobe Steel для того, чтобы удовлетворить потребности судостроительной отрасли.

Новые требования к покрытию и использование более толстых стальных пластин

В последние годы международные требования к защитному покрытию балластных цистерн сухогрузов и нефтеналивных танкеров стали более строгими после того, как был принят Стандарт качества защитных покрытий (PSPC). В частности, для того, чтобы отвечать требованиям этого стандарта, субстрат покрытия поверхностей угловых сварных швов не должен иметь пор, чтобы обеспечить плотность покрытия. Если в поверхности валика углового сварного шва обнаруживаются поры после дробеструйной очистки, они должна быть устранены до покрытия защитным слоем. Однако подобные крупномасштабные ремонтные операции на угловых швах неэффективны и непрактичны. Поэтому целесообразнее усовершенствовать процесс сварки угловых швов таким образом, чтобы швы выполнялись с большой скоростью и не имели пор.

Согласно международным Общим правилам МАКО по конструкции и прочности, компоненты корпуса судов должны быть спроектированы с более толстыми боковыми листами, чтобы предотвратить коррозию и повысить надежность. Поэтому используются все более толстые стальные пластины, и для их соединения необходимы более крупные угловые сварные швы. С другой стороны, вес корпуса судна должен быть по возможности минимальным, чтобы снизить стоимость морской навигации. Это достигается путем использования как толстых, так и тонких пластин, которые часто соединяются раструбными стыковыми швами.

Потребность в крупных, но легких контейнеровозах

В начале 1990-х годов размер типичного контейнеровоза составлял около 4000 двадцатифутовых эквивалентов (TEU). По мере роста контейнерных перевозок в связи с развитием экономики, в особенности в Азии, стали строиться все более крупные суда. Современные контейнеровозы могут превышать 10 000 TEU. В то же время, отрасли морских перевозок требуются более легкие контейнеровозы, способные перевозить грузы по морским путям с большей скоростью. У контейнеровозов большие открытые палубы, позволяющие эффективно погружать и сгружать контейнеры. Однако такой дизайн требует применения более толстых листов стали, чтобы обеспечить достаточную структурную прочность судового корпуса. В настоящее время предпочтение отдается сталям класса YP390 и YP460 толщиной 50 mm и более. Для них были разработаны соответствующие сварочные процессы.

Сварочные материалы и процессы сварки, подходящие для судостроения

Figure 1: Relative consumption of welding consumables by industry in Japan in 2009.

Иллюстрация 1: Сравнительное потребление сварочных материалов по отраслям в Японии в 2009 году.

Как показано на Иллюстрации1, по сравнению с другими отраслями промышленности в Японии, в судостроении отмечается самое высокое относительное потребление флюсовой сварочной проволоки (FCW), так как эта проволока дает более высокую производительность наплавки по сравнению с другими типами наплавленного металла, тем самым повышая эффективность сварки. Флюсовая проволока также широко применима при всех позициях сварки, что важно для производства судовых корпусов, в которых есть крупные компоненты с палубными, вертикальными, горизонтальными, потолочными и дугообразными линиями сварки. Так как в корпусах судов может быть много замкнутых пространств с затрудненным доступом, в них часто применяется односторонняя сварка с применением флюсовой проволоки. Сварочные материалы для дуговой сварки SAW также широко применяются для односторонней сварки стыковых швов на крупных листах наружной обшивки.

Figure 2: Typical assemblies and the major welding lines at the sub-assembly and assembly stages.

Иллюстрация 2: Типичные блоки и крупные линии сварки
на этапах предварительной и основной сборки.

Figure 3: The typical cross sectional structure of a bulk carrier and the major welding lines at the erection stage.

Иллюстрация 3: Типичный вид поперечной структуры сухогруза основный линии сварки на стадии монтажа.

На Иллюстрации 2 и в Таблице 1 показаны типичные линии сварки и процессы для крупных сварочных соединений на этапах узловой и основной сборки. На Иллюстрации 3 и в Таблице 2 показана поперечная структура сухогруза и типичные сварочные процессы для крупных сварочных соединений на этапе монтажа.


Таблица 1: Сварочные процедуры, применяемые на этапах узловой и основной сборки.
Номер
соединения
Этап
сборки
Компонент,
тип соединения
Позиция
сварки
Сварочный
процесс
Сварочные материалы
FAMILIARC™
Примечания
Для стали марки D Для стали марки Е
Узловая
сборка
Плоская плита,
стыковой шов
Плоская Двусторонняя сварка
SAW
US-36/PF-H55E Автоматическая
Стойка жесткости,
угловой шов
Горизонтальная FCAW ▪MX-200
▪DW-200
▪MX-200E
▪DW-200
Портативный сварочный аппарат
Основная
сборка
Стрингер,
угловой шов
Горизонтальная FCAW ▪MX-200
▪MX-200H
▪MX-200HS
▪MX-200E
▪MX-200H
▪MX-200HS
Листосварочная машина
Приборная панель,
стыковой шов
Плоская Односторонняя
SAW
US-36/PF-I55E/PF-I50R Сварочный процесс FCB™
US-36/PH-I55E/RF-1 Сварочный процесс RF™
Провес / траверс,
угловой шов
Горизонтальная,
Вертикальная
FCAW DW-100V DW-55E Роботная
Двойное дно,
внутренняя часть,
угловой шов
Горизонтальная,
Вертикальная
FCAW DW-100 DW-55E Полуавтоматическая
Пластина двоякой кривизны,
стыковой шов
Плоская Односторонняя
SAW
US-36/PF-I52E/FA-B1 Сварочный процесс FAB™
Односторонняя
FCAW
DW-100/FB-B3 DW-55E/FB-B3 Полуавтоматическая
Таблица 2: Сварочные процедуры, применяемые при монтаже сухогрузов (См. Номера соединений на Илл.3)
Номер
соединения
Наименование блока,
тип соединения
Позиция
сварки
Сварочный
процесс
Сварочные материалы FAMILIARC™ Примечания
Для стали марки D Для стали марки Е
Обшивка днища, стыковой шов Плоская Односторонняя FCAW DW-100/FB-B3T DW-55E/FB-B3T Полуавтоматическая
Настил внутреннего дна,
стыковой шов (продольный)
Плоская Односторонняя SAW US-36/PF-I52E/RR-2/FA-B1 FAB™ process
Односторонняя GMAW MG-50D/FB-B3 Автоматическая GMAW
Настил внутреннего дна,
стыковой шов (поперечный)
Плоская Односторонняя FCAW
+ SAW
DW-100/FB-B3
+ US-36/PF-H55E
DW-55E/FB-B3
+ US-36/PF-H55E
Полуавтоматическая
+ SAW
Наружная бортовая обшивка,
стыковой шов
Вертикальная EGW HS-42G или DW-S43G/KL-4 Автоматическая
FCAW DW-100V Полуавтоматическая
Нижняя обшивка бокового подпалубного танка,
стыковой шов
Плоская Односторонняя FCAW DW-100/FB-B3 DW-55E/FB-B3 Полуавтоматическая
Скуловой отсек,
стыковой шов
Горизонтальная,
Вертикальная
Односторонняя FCAW DW-100/FB-B3
DW-100V/FB-B3
DW-55E/FB-B3 Полуавтоматическая
Верхняя палуба,
стыковой шов (поперечный)
Плоская Односторонняя FCAW
+ SAW
DW-100/FB-B3
+ US-36/PF-H55E
DW-55E/FB-B3
+ US-36/PF-H55E
Автоматическая FCAW
+ SAW
Настил внутреннего дна,
угловой шов
Горизонтальная FCAW MX-200 MX-200E Портативный сварочный аппарат
Стрингер,
стыковой шов
Плоская Односторонняя FCAW DW-100/FB-B3 DW-55E/FB-B3 Полуавтоматическая
Вертикальная Односторонняя FCAW DW-100/FB-B3 DW-55E/FB-B3 Полуавтоматическая

Новейшие процессы сварки и сварочные материалы

Процесс TRIFARC™

Figure 4: Schematic TRIFARC™ process and typical fillet weld bead appearance (Welding wire: FAMILIARC™ MX-200HS; 1.6 mmØ; Filler wire: FAMILIARC™ MG-1HS; 1.2 mmØ; Plate thickness: 12 mm; Welding speed: 2.0 m/min; Shop primer thickness: 30 μm).

Иллюстрация 4: Схема процесса TRIFARC™ и типичный внешний вид валика углового сварного шва (Сварочная проволока: FAMILIARCTM MX-200HS; 1,6 mmØ; наплавная проволока: FAMILIARC™ MX-200HS; 1.6 mmØ; наплавная проволока: FAMILIARC™ MG-1HS; 1.2 mmØ; Толщина пластины: 12 mm; Скорость сварки: 2,0 m/min; Толщина грунтового слоя: 30 μm).

Процесс TRIFARC™ - это передовой процесс сварки угловых швов с тремя электродами, который был разработан с целью удовлетворить потребность пользователей в более скоростной сварке, а также защите от образования пор при сварке угловых швов. Как показано на Иллюстрации 4, процесс TRIFARC™ задействует три электрода, из которых средний несет ток DCEN, а два других - DCEP. Средний электрод не дает дуги, он создает особое магнитное поле. направление которого противоположно направлению поля двух других электродов. Противоположные магнитные поля могут снизить взаимные помехи между дугой правого и левого электрода, тем самым позволяя электродам нести более сильный сварочный ток и дает более высокий производительность наплавки. Эффект магнитного поля центрального электрода также может стабилизировать как струйный перенос капель двух других электродов, так и сварочную ванну. Этот механизм дает стабильную скорость сварки до 2 m/min и отличную устойчивость к коррозии.

Figure 5: TRIFARC™ process in operation at Sumitomo Heavy Industries Marine & Engineering Co., Ltd., Japan.

Иллюстрация 5: Процесс TRIFARC™ в работе
на предприятии компании Sumitomo Heavy
Industries Marine & Engineering Co., Ltd., Япония.

Процесс сварки TRIFARC™ задействует специальную флюсовую проволоку FCW, FAMILIARC™ MX-200HS, которая дает более высокую производительность наплавки при одинаковом значении сварочного тока по сравнению с традиционными флюсовыми проволоками. Новая сварочная процедура, в которой сочетается передовой процесс и материалы, позволяет получить в 1,2-1,5 раза более высокую скорость сварки по сравнению с традиционными сварочными процедурами, при этом вероятность того, что потребуется ремонтная сварка, низка, благодаря отличной устойчивости к образованию пор. Эта выдающаяся технология сварки угловых швов была впервые применена на практике ведущей судостроительной компанией в мае 2008 г. (Илл. 5, см. вверху) и с тех пор все более широко применяется на судостроительных предприятиях, завоевывая отличную репутацию.

Процесс сварки SEGARC™ с тандемным электродом

По мере того, как размер контейнеровозов продолжает увеличиваться, более толстые стальные листы требуются для тех компонентов их корпусов, в которых концентрируется нагрузка: максимальная толщина пластин ширстрека и обшивки люков составляет 80 mm. Для сварки соединений более толстых листов стали с большей скоростью и производительностью наплавки был разработан процесс сварки SEGARC™ с тандемным электродом. Это процесс дуговой электрогазовой сварки с двойным электродом (EGW), разработанный на основе процесса сварки SEGARC™ с одним электродом, который долгое время применялся для вертикальной сварки в направлении снизу вверх в корпусах судов из-за его высокой эффективности и стабильных характеристик сварных соединений.

Figure 6: Schematic of the tandem-electrode SEGARC™ process with the root-side FCW and the face-side FCW.

Иллюстрация 6: Схематическое изображение сварочного процесса SEGARC™ с тандемным электродом с флюсовой проволокой корневой и внешней стороны шва.

As shown in Figure 6, the tandem-electrode SEGARC™ process uses two dedicated FCWs: FAMILIARC™ DW-S50GTF for the face side of the joint and FAMILIARC™ DW-S50GTR for the root side.

В данном процессе сварочный металл обладает значительной разрывной прочностью, равной или большей разрывной прочности основного металла, и дает стабильную ударную вязкость и изломостойкость при высокой погонной энергии. На Иллюстрации 7 показана макроструктура поперечных сечений сварных соединений. В Таблице 3 представлены результаты механических испытаний сварочных металлов.

Figure 7: Cross sectional macrostructures of EGW welds made with FAMILIARC™ DW-S50GTF + FAMILIARC™ DW-S50GTR (Plate thickness: 80 mm).

Иллюстрация 7: Макроструктура поперечных
сечений сварных швов EGW, выполненных с проволокой
FAMILIARC™ DW-S50GTF + FAMILIARC™ DW-S50GTR
(Толщина пластины: 80 mm).

Таблица 3: Типичные механические свойства сварочного металла EGW проволоки FAMILIARC™ DW-S50GTF и FAMILIARC™ DW-S50GTR *1
Зазор
(mm)
Погонная
энергия
(kJ/mm)
0.2% OS
(MPa)
TS
(MPa)
El
(%)
IV *2
(J при −20°C)
8 51.2 503 644 24 123 (135, 115, 119)
10 60.4 474 622 24 107 (86, 108, 127)
*1: Толщина пластины 80 mm, угол кромки 20°.
*2: Образцы для тестирования были взяты из центральной части
сварочного металла.
Figure 8: Diagram of the RF™ one-sided SAW process.

Иллюстрация 8: Схема одностороннего сварочного процесса SAW RF™

Процесс RF™

The RF™ - это высокоэффективный процесс односторонней сварки SAW, который применяется для раструбных соединений, в особенности, для сварки более толстых стальных пластин с более тонкими. По мере того, как применение раструбных соединений все более отвечает требованиям CSR, процесс RF™ односторонней сварки SAW, являющийся одной из уникальных и высоко оцениваемых выдающихся технологий компании Kobe Steel. Схема процесса RF™ представлена на Иллюстрации 8.

На Иллюстрации 9 показана установка раструбного соединения на флюсовой подушке и макроструктура поперечного сечения сварного соединения. На Иллюстрации 10 (выше) полностью представлена установка оборудования для сварки. Как показано на Иллюстрации 8, процесс RF™ задействует гибкую флюсовую подушку, которая может поддерживать тесный контакт с обратной стороной сварного соединения даже при раструбном переходе. Помимо раструбных соединений, этот процесс успешно применяется для сварки более тонких пластин стали, которые подвержены искривлению под влиянием высокой температуры.

Figure 9: How to set up a tapered joint on the backing
flux in the RF™ process (left). The cross sectional macrostructure
of the weld joint (right) produced under the following
conditions:
▪ Plate thickness combination: 20 and 50 mm
▪ Welding process: RF™ one-sided SAW with 3 wires
▪ Welding wire: FAMILIARC™ US-36 (4.8 and 6.4 mmØ)
▪ Welding flux: FAMILIARC™ PF-I55E
▪ Backing flux: FAMILIARC™ RF-1

Иллюстрация 9: Установка раструбного соединения на
флюсовой подушке в процессе сварки RF™ (слева).
Макроструктура поперечного сечения сварного
соединения (справа), выполненного при следующих
условиях:
▪ Сочетание толщины пластин: 20 и 50 mm
▪ Сварочный процесс: RF™ односторонняя сварка SAW
с тройной проволокой
▪ Сварочная проволока: FAMILIARC™ US-36
(4.8 и 6.4 mmØ)

▪ Сварочный флюс: FAMILIARC™ PF-I55E
▪ Флюсовая подушка: FAMILIARC™ RF-1

Figure 10: RF™ process setup for onesided submerged arc welding of a steel plate joint with a tapered transition.

Иллюстрация 10: Установка для процесса RF™ односторонней дуговой сварки с погруженными электродами для раструбного соединения стальных пластин.


Наплавочные металлы класса YP460

Таблица 4: Типичные механические свойства сварочных металлов флюсовой проволоки TRUSTARC™ для сварки FCAW и EGW *1
Торговая марка
(Диаметр
проволоки)
DW-460L
(1.2 ммØ)
DW-S460LG
(1.6 ммØ)
Марка стали
(Толщина)
EH47 (60 мм) *2 EH47 (60 мм)
Подготовка кромок Угол 40°,
зазор: 6 мм
Угол 20°,
зазор: 10 мм
Сварочный процесс FCAW (CO2) EGW (CO2)
Позиция сварки Плоская Вертикальная Вертикальная
Погонная энергия
(kJ/mm)
2-3 2-3 39.2
0.2% OS (MPa) 573 630 501
TS (MPa) 630 681 648
El (%) 23 20 21
IV (J) при −20°C *3 136 119 121
*1: Образцы для тестирования были взяты из центральной части
сварочного металла.
*2: Температура предварительного подогрева и межпроходная:
100-120°C.
*3: Средняя величина для трех отдельные величин.

Для того, чтобы получить высокопрочные компоненты судовых корпусов, при этом сокращая их вес, требуются более тонкие стальные листы. Вместо традиционных сталей класса YP390 для этих целей сейчас применяются стали класса YP460 (с минимальным пределом текучести 460 MPa). Наплавочные металлы класса YP460 - TRUSTARC™ DW-460L (для полуавтоматической сварки FCAW) и TRUSTARC™ DW-S460LG (для сварки SEGARC™) отвечают требованиям к сварным компонентам из этих сталей.

В Таблице 4 показаны типичные механические качества проволоки DW-460L и DW-S460LG. DW-S460LG обладает значительной прочностью по сравнению с основным металлом, а также отличается ударной вязкостью и изломостойкостью даже при высокой погонной энергии. Оба вида проволоки FCW отличаются универсальностью и простотой в применении.


Верх страницы

ТОВАРЫ

Cварка руководство Технические новинки промышленность видео Paisaje Japonés KOBELCO ARC over the last decade (2008~)