船體薄板結(jié)構(gòu)焊接變形控制的“前處理”

艾海峰 蔡旭強(qiáng) 黃建勛

（駐七五〇廠軍事代表室 梧州工作組，廣西 梧州 543003）

0 前言

為了減輕自重，提高空間利用率和綜合使用性能，現(xiàn)代船艇大量使用高強(qiáng)度薄板，同時(shí)為保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，船體內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)增多，焊縫大量增加，使薄板焊接變形問(wèn)題變得十分突出，并且這種變形將無(wú)法完全消除。船體薄板焊接變形主要表現(xiàn)為:板收縮內(nèi)凹，肋骨框架外露的“瘦馬”變形；范圍較大的波浪變形；局部的凹凸變形等，均是由于薄板抗彎剛度低，在焊接過(guò)程中的不均勻加熱和冷卻引起的。由于薄板焊接變形對(duì)船艇外觀質(zhì)量、建造周期、機(jī)動(dòng)性能等均具有重要影響，并且變形本身影響因素眾多、各種因素之間的相互作用復(fù)雜，使得薄板焊接變形控制技術(shù)成為船體建造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高船艇實(shí)物質(zhì)量水平至關(guān)重要。

在焊接實(shí)施階段，為控制焊接變形，提高焊接質(zhì)量，通常要嚴(yán)格控制焊接方法、參數(shù)、材料、順序、人員等，焊接完成后，一般還需要對(duì)焊接實(shí)施階段的“輸出”采取“后處理”措施進(jìn)一步減小焊接變形量，如變形矯正、應(yīng)力釋放等。從船艇結(jié)構(gòu)建造過(guò)程來(lái)看，策劃評(píng)估及裝配施工在焊接實(shí)施之前，是焊接實(shí)施階段的“輸入”，完整地對(duì)薄板焊接變形進(jìn)行控制，必然還應(yīng)采取適當(dāng)?shù)摹扒疤幚怼贝胧?duì)焊接實(shí)施階段的“輸入”進(jìn)行控制，忽視策劃評(píng)估的基礎(chǔ)性作用和裝配施工的保障作用，往往則會(huì)造成薄板結(jié)構(gòu)焊接實(shí)施難度增大，焊后處理工作繁重，甚至是結(jié)構(gòu)報(bào)廢。本文充分認(rèn)識(shí)到策劃評(píng)估能夠有效降低薄板焊接變形控制的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而裝配精度與薄板焊接變形控制相輔相成，給出了做好控制船體薄板結(jié)構(gòu)焊接變形控制“前處理”工作的一些原則方法，為提高船艇建造質(zhì)量提供參考。

1 策劃評(píng)估

策劃評(píng)估對(duì)控制薄板焊接變形具有重要的預(yù)防作用。在生產(chǎn)策劃階段必須充分考慮焊接變形控制，盡可能預(yù)測(cè)焊接變形控制中存在的風(fēng)險(xiǎn)，提前做好預(yù)防措施，確保焊接變形矯正的工作量降到最低，減少生產(chǎn)成本。特別對(duì)于新研制船艇，設(shè)計(jì)修改多、建造經(jīng)驗(yàn)少，更要重視對(duì)船體焊接變形控制的策劃。

1.1 改進(jìn)建造方法

在對(duì)分段和總段的建造進(jìn)行策劃時(shí)，充分利用船廠的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有條件，堅(jiān)持從結(jié)構(gòu)焊接變形趨勢(shì)可控和工人施焊條件有利的角度進(jìn)行考慮，確定分段和總段的建造方式與順序。一方面，要優(yōu)化零部件組裝和分段合攏順序，例如對(duì)于建造難度大、經(jīng)驗(yàn)不足的分段，可預(yù)先建造模擬分段，評(píng)估結(jié)構(gòu)建造的可行性和可靠性，還可以采用數(shù)值仿真技術(shù)提高薄板結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)估和控制精度；另一方面，要優(yōu)化零部件的焊接順序和焊接方法，例如由內(nèi)往外焊、對(duì)稱施焊，盡可能減少仰焊，靈活采用塞焊、單面焊雙面成型等特殊焊接方法，保證焊接質(zhì)量和焊接變形的可控。

1.2 優(yōu)化焊縫布局

在充分了解焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的機(jī)理的基礎(chǔ)上，合理地制定施工工藝，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，做到對(duì)焊縫的合理優(yōu)化。一方面，要減少焊縫數(shù)量和長(zhǎng)度等，降低焊接熱源對(duì)結(jié)構(gòu)的熱輸入，如充分利用板材和型材的規(guī)格尺寸；按照標(biāo)準(zhǔn)要求制定船體構(gòu)件切口及典型節(jié)點(diǎn)圖冊(cè)，規(guī)定焊縫坡口的形狀和尺寸等；另一方面，要優(yōu)化板縫的布置，如使船體水線以上部分焊縫呈現(xiàn)布局美感；使焊縫對(duì)稱于焊件的中心軸；將焊縫靠近強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)；在焊縫相交中宜采用“十”字接頭，減少或避免“丁”字接頭等。

2 裝配施工

裝配間隙過(guò)大，坡口角度過(guò)大，均會(huì)增加焊接過(guò)程中的熱輸入，使得焊后的變形量增大，所以始終要注重裝配精度，切實(shí)控制焊縫間隙，形成控制焊接變形的有利條件，為控制薄板焊接變形提供保障。

2.1 精確加工、細(xì)心搬運(yùn)

下料階段的板材和型材尺寸精度，必然會(huì)影響后續(xù)裝配的精度，并且越往后期越難保證結(jié)構(gòu)裝配精度，因此必須從源頭抓裝配精度。板材在下料前必須矯平，保持板面平整，型材在下料前必須進(jìn)行矯直。板材切割宜采用等離子水下數(shù)控切割，并且要講究余量分布，提高無(wú)余量下料裝配率，減少余量切割階段產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。對(duì)于需要加工線型的板材，必須要加工到位，符合加工精度要求，避免在裝配階段生拉硬拽，增加附加應(yīng)力。加工后的板材應(yīng)放在托架上，板材搬吊運(yùn)時(shí)，不允許在板材上直接焊接吊馬，或者不同線型的薄板疊加搬運(yùn)。

2.2 釋放反變形、增強(qiáng)支撐材

除了在零部件加工階段對(duì)有線型的板材考慮加工反變形以及在船臺(tái)合攏階段對(duì)主船體基線沿縱向適當(dāng)放反變形外，胎架作為分段、總段制作的支撐基礎(chǔ)，對(duì)防止焊接變形過(guò)大具有重要的約束作用。胎架應(yīng)按先橫向后縱向的順序加放縱、橫向反變形，縱向應(yīng)從中間一檔肋位向兩端并往下釋放反變形，縱、橫向可按1:1000加放垂向反變形余量，并要制作梁拱反變形樣板以便準(zhǔn)確釋放甲板梁拱反變形。為防止胎架橫向收縮變形過(guò)大，底部分段胎架兩舷外側(cè)需加斜撐以作加強(qiáng)，所有分段胎架底座、支柱、斜支撐角鋼加強(qiáng)和縱、橫向連接角鋼必須與“地?！焙吞ゼ芎附永喂蹋苑乐狗侄沃谱鬟^(guò)程中焊接應(yīng)力變形。

2.3 提高裝配精度、預(yù)防焊前變形

由于焊接結(jié)構(gòu)的剛性是在裝配、焊接過(guò)程中逐漸增大的，結(jié)構(gòu)整體的剛性總比它的零部件剛性大，為了盡可能減少薄板焊接變形，所有結(jié)構(gòu)必須安裝完整后方可施焊。在裝配過(guò)程中，一方面，要始終注重提高裝配精度，如零部件的加工制作一律應(yīng)在表面平整、剛度好的平臺(tái)上進(jìn)行，組裝好后的構(gòu)件應(yīng)按種類或圖號(hào)分裝托盤放好，防止調(diào)換錯(cuò)誤，以備一次性正確裝配；裝配定位宜采用點(diǎn)焊的方式，點(diǎn)焊時(shí)盡可能采用小直徑焊條，焊點(diǎn)的大小及間距應(yīng)適當(dāng)且均勻，如果點(diǎn)焊尺寸過(guò)小或間距過(guò)大，在正式焊接過(guò)程中可能會(huì)裂開(kāi)，不能起到定位和控制變形的作用；如果點(diǎn)焊尺寸過(guò)大和間距過(guò)密，在正式焊接過(guò)程中增加打磨工作量以及影響施焊的連續(xù)性；外板、甲板以及肋骨、隔壁定位，要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)板縫線、肋骨線、中心線，對(duì)接面要平直、光順，裝配誤差過(guò)大的構(gòu)件必須返修或更換（如高度過(guò)小或面板角度不對(duì)等）；批刨剖口必須認(rèn)真仔細(xì)，保證坡口線型光順，深淺寬窄盡可能一致，以降低焊接過(guò)程中熱輸入不均勻的程度，等等。另一方面，要適當(dāng)采取臨時(shí)加強(qiáng)措施，預(yù)防焊接變形，如:對(duì)于T型材、隔壁板、平臺(tái)板、肋骨框架，在制作和搬運(yùn)過(guò)程中必須設(shè)置臨時(shí)加強(qiáng)支撐；立體總段、甲板半立體分段在裝配過(guò)程中要進(jìn)行輔助支撐加強(qiáng)，如不影響大合攏施工應(yīng)留至大合攏焊接完畢后再拆除；縱、橫向板縫及板縫交叉處均應(yīng)適當(dāng)加排，加強(qiáng)排間距適當(dāng)，與板縫垂直安裝；在環(huán)形大接頭處，甲板面、底部尖窄部位在外表面加排，舷側(cè)旁板部位需在艙內(nèi)部加排，而且當(dāng)艙內(nèi)有強(qiáng)結(jié)構(gòu)（如縱桁、中付龍、甲板縱桁等）對(duì)接時(shí)，腹板一面也應(yīng)加裝加強(qiáng)排。