船舶在建造過(guò)程中焊接變形的形成及控制

張玉永

(新世紀(jì)造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

船舶在建造過(guò)程中焊接變形的形成及控制

張玉永

(新世紀(jì)造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

在船舶建造過(guò)程中，大量構(gòu)件的焊接變形不利于船體分段建造精度的控制，從而影響船舶建造的質(zhì)量。通過(guò)分析船體構(gòu)件焊接變形產(chǎn)生的原因及影響因素，并考慮船舶構(gòu)件建造過(guò)程中各階段的特點(diǎn)，總結(jié)出船舶建造不同階段減小船舶變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施和建造工藝措施，從而達(dá)到滿足船舶強(qiáng)度及使用性的要求。

船舶建造;焊接變形;建造質(zhì)量;精度控制

0 引言

焊接變形是指在焊接過(guò)程中，由于焊接熱源和焊接熱循環(huán)的作用以及外界溫度的影響，使得焊接部位或構(gòu)件受熱不均勻從而導(dǎo)致冷卻時(shí)的收縮量和收縮速度不同產(chǎn)生的變形。船舶焊接變形是影響船舶質(zhì)量的主要因素，其對(duì)焊接接頭的性能有著較大的影響，使船體構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性下降。此外，焊接變形不利于分段的精度控制，從而最終影響到船體精度和船舶的建造質(zhì)量。通常船舶焊接變形按對(duì)船舶構(gòu)件的影響可分為整體焊接變形和局部焊接變形2種。

1 船體焊接構(gòu)件變形產(chǎn)生的主要原因

船體構(gòu)件主要是由冷、熱軋鋼、型鋼及它們的成形件裝焊而成。從結(jié)構(gòu)件制造工藝來(lái)看，造成變形的主要原因?yàn)楹附訜釕?yīng)力、殘余應(yīng)力和外力。

1.1 焊接熱應(yīng)力

焊接熱應(yīng)力是在焊接過(guò)程中，由于金屬材料的加熱和冷卻的不均勻而產(chǎn)生的。焊接時(shí)，加熱的熱源是移動(dòng)的高溫電弧，焊縫和熱影響區(qū)金屬溫度很高，金屬受熱膨脹，但又受到常溫金屬的阻礙和抑制，便產(chǎn)生了壓縮塑性變形。焊接件的變形程度與施焊時(shí)的焊接熱輸入量(線能量)成正比。

1.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力主要有焊接殘余應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力。焊件在焊接結(jié)束后，焊縫金屬由膨脹轉(zhuǎn)為收縮，但其又受到常溫金屬的剛性固定，便形成了焊接殘余應(yīng)力。成形加工殘余應(yīng)力主要是由于工件受工藝性外力而引起的，如工件的自由彎曲成形不得法，鋼板矯平輾壓次數(shù)少都能引起加工殘余應(yīng)力。

1.3 外力

工件在組裝、焊接過(guò)程中由磕、碰、摔、撞或過(guò)載引起的異常變形。

2 分析影響焊接變形的因素

物件在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形。在焊接時(shí)，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。焊接應(yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的主要原因。另外，焊接變形也使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以達(dá)到技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能。

焊接變形是熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變以及相變綜合影響的結(jié)果。由于焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生焊接變形是個(gè)很復(fù)雜的問題，所以只從船體建造工藝角度分析影響焊接變形的一些主要因素。

2.1 焊接收縮變形

焊件尺寸比焊前收縮的現(xiàn)象稱為收縮變形，它可分為橫向收縮變形和縱向收縮變形。

(1)縱向收縮變形:沿焊縫軸線方向尺寸的縮短即為縱向收縮變形。這是由于焊縫及其附近區(qū)域在焊接高溫的作用下產(chǎn)生的縱向的壓縮塑性變形?？v向收縮量取決于焊縫長(zhǎng)度、焊件的截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區(qū)的面積以及壓縮塑性變形率等。焊件的截面積越大，焊件的縱向收縮越小。焊縫的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，縱向收縮量就越大。

(2)橫向收縮變形:沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短。對(duì)接焊縫的收縮變形與對(duì)接縫的坡口形式、對(duì)接間隙、焊接線能量、鋼板的厚度和焊縫的截面積等因素有關(guān)。坡口大，對(duì)接間隙大，焊縫截面積大，焊接線能量也大，變形也相應(yīng)增大，如圖1所示。

圖1 V型坡口和X型坡口的橫向收縮近似公式

2.2 角變形

中厚板對(duì)接焊、堆焊及“T”型接頭焊接時(shí)，都可能產(chǎn)生角變形。角變形產(chǎn)生的原因是由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。焊縫接頭形式不同，其角變形的特點(diǎn)也不同。角變形的大小與焊接線能量、板厚等因素有關(guān)。當(dāng)線能量一定時(shí)，板厚越大，厚度方向溫差越大，角變形也相應(yīng)增加。當(dāng)板厚達(dá)到一定程度時(shí)，此時(shí)構(gòu)件的剛性增加，抵抗變形的能力增強(qiáng)，角變形反而減少。當(dāng)板厚一定時(shí)，線能量增大，壓縮塑性變形量增加，角變形也相應(yīng)增加。

2.3 波浪變形

構(gòu)件在焊接過(guò)后呈波浪形。焊后存在于平板中的內(nèi)應(yīng)力，一般情況下在焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。在壓應(yīng)力的作用下，薄板可能失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形，使一些承受壓力的薄板結(jié)構(gòu)的承載能力下降。

2.4 船體總體變形

船體變形主要包括總體變形(中拱、中垂)，構(gòu)件局部變形、總尺寸縮短、船體扭曲等。船體結(jié)構(gòu)由縱橫構(gòu)件和殼板組成，若把板架結(jié)構(gòu)當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)研究，通常其中和軸(X-X)均偏近于殼板。板架結(jié)構(gòu)焊接后，構(gòu)架與殼板的焊接使得縱向構(gòu)架和橫向構(gòu)架產(chǎn)生縱橫向收縮，其收縮力的合力對(duì)中和軸產(chǎn)生的力矩，使板架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中拱或中垂彎曲變形。

2.5 總尺寸縮短

構(gòu)件焊接時(shí)，受熱部分的金屬在受熱膨脹并在隨之而來(lái)的冷卻收縮過(guò)程中，形成不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，產(chǎn)生焊縫周圍的長(zhǎng)度收縮。因而在船體焊接后，導(dǎo)致其總尺寸減小，通常在10 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的收縮量達(dá)10～20 mm左右。

3 減少焊接變形的措施

通過(guò)焊接應(yīng)力與焊接變形的分析，可以知道焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力不可避免，只能在掌握焊接變形的影響因素之后，積極采取相關(guān)措施減少焊接變形。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上除了要滿足船舶的強(qiáng)度和使用性能外，還必須滿足船舶建造過(guò)程中焊接變形最小及耗費(fèi)勞動(dòng)工時(shí)最低要求和焊材的消耗最少。若能充分注意焊接特點(diǎn)進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)，則可大大減少焊接變形。

(1)采用船體分段建造法，可以大大減少船臺(tái)的工作量，同時(shí)使船體總焊接變形得到控制。

(2)焊縫應(yīng)盡量保持對(duì)稱性或者靠近結(jié)構(gòu)的中心線，防止彎曲變形。

(3)盡可能減少焊縫數(shù)量。

(4)在裝配時(shí)，采用簡(jiǎn)單裝配焊接胎架卡。

(5)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減少焊縫截面積尺寸，以減少收縮變形。

3.2 建造工藝方面

在施工工藝方面應(yīng)做到:

(1)在無(wú)裝配應(yīng)力強(qiáng)制下進(jìn)行船體裝配。

(2)采用自動(dòng)焊代替手工焊。

(3)合理選擇焊接工藝參數(shù)及焊接順序，盡可能使用小線能量焊接。

預(yù)留收縮余量、剛性固定法和反變形法是控制焊接變形的基本方法。

分段制造中設(shè)置余量是生產(chǎn)中為了彌補(bǔ)焊后尺寸的收縮，預(yù)先考慮加放收縮余量，其大小可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式近似估計(jì)。船體總尺寸的收縮變形通常用加放焊接收縮量來(lái)彌補(bǔ)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，縱向每檔肋距加放1 mm的焊接收縮量，橫向每檔加放0.5 mm的焊接收縮量，這樣可較好地抵消總尺寸的縮短。

對(duì)于船體的中拱或中垂變形，必須在胎架上施放反變形量，每檔肋距為1 mm左右。反變形的設(shè)計(jì)能較好地抵消船體的變形。

以上2種措施，實(shí)質(zhì)是船舶建造中的變形補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)，它包括了船體的彎曲反變形和尺寸變形2個(gè)方面的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，也是當(dāng)今船舶建造中船廠常用且效果明顯的補(bǔ)償控制。在焊接工藝方面盡可能合理運(yùn)用剛性固定法和反變形法。

剛性固定法是船舶制造施工中常用的一種控制 或者胎架上，待焊接構(gòu)件上所有焊縫冷卻到室溫時(shí)，再去掉剛性固定。這時(shí)焊接構(gòu)件產(chǎn)生的變形將大大小于在自由狀態(tài)下焊接的變形。船體裝配焊接中廣泛使用各種形式的剛性固定法，如臨時(shí)加強(qiáng)筋、臨時(shí)電焊加強(qiáng)角鐵、分段四周固定定位焊、船體分段和胎架螺栓連接、各種直線或弧線的拉馬等。

反變形法即船體裝配焊接前，預(yù)先給船體分段或構(gòu)件一個(gè)反變形值，其大小應(yīng)等于或者大于船體分段焊后變形，但方向相反，用于抵消結(jié)構(gòu)焊接后產(chǎn)生的變形。利用此法可使船體分段變形消除或者減少到最小。如放樣時(shí)預(yù)防反變形量，裝配時(shí)加放焊縫收縮余量等都屬于反變形范疇。

3.3 水火矯正

盡管在施工過(guò)程中采取了以上措施，但要想完全消除焊接中的變形是不可能的。所以最后一道工序就是對(duì)變形尚需控制在某一公差范圍內(nèi)的部位，及時(shí)指派經(jīng)驗(yàn)豐富的技工來(lái)進(jìn)行火工矯正。否則，變形的方法，是將構(gòu)件固定在具有足夠剛性的平臺(tái)將達(dá)不到預(yù)期效果。

但是火工矯正也不宜多用，因?yàn)樗鼤?huì)使船體鋼材的金屬組織發(fā)生變化，使其理化性能受到損害，即使涂裝以后，該處也易剝蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在船舶建造過(guò)程中，焊接變形是不可避免的，只能采取積極的方法減少和控制焊接變形，從而達(dá)到既滿足船舶強(qiáng)度要求和使用性能，又滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。本文所述控制方法值得在現(xiàn)代造船領(lǐng)域中得以推廣、運(yùn)用。

［1］ 葉家瑋.現(xiàn)代造船技術(shù)概論［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2001.

［2］ 陳冰泉.船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)焊接［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 黃浩.船體建造工藝手冊(cè)(修訂本)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

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2013-03-26

張玉永(1974-)，男，工程師，長(zhǎng)期從事船舶工程相關(guān)工作。