薄板裝焊的變形控制措施及步驟

張芳杰

1. 概述

為確保汽車滾裝船（PCTC船）的穩(wěn)性，減輕船舶自重，降低重心高度，船舶主體結(jié)構(gòu)以薄板為主，外板采用9~15mm的薄板；而大多在主甲板以上，大量采用了板厚僅5.5~7mm薄板或高強(qiáng)鋼薄板。因此，帶來了薄板裝配和焊接等過程中的變形，以及各項(xiàng)精度指標(biāo)和質(zhì)量要求控制難度增大的問題。

下面將通過我廠為挪威格拉姆汽車運(yùn)輸公司建造的6700PCTC汽車滾裝船，以及為我國安吉物流公司建造的2000PCTC汽車滾裝船為例，介紹在建造過程中的薄板裝配和焊接等過程中的變形控制及措施。

2.薄板建造過程中變形原因

6700PCTC汽車滾裝船總長為199.9m，型寬為32.2 6m，設(shè)計(jì)吃水深度為9m。該船有1 3層甲板，第13層甲板為露天甲板，不裝載汽車，其他甲板為車輛甲板；第2、4、6、8 為活動甲板（板厚為6mm），各層甲板間采用活動坡道或固定坡道甲板連接。該船貨艙區(qū)域的甲板層數(shù)較多，在整個甲板中第12、11、10、9、8（艏、艉）甲板為板厚6mm A級鋼, 第1、3、7甲板為板厚11mm AH36級鋼；第5甲板為板厚15mm 、AH36級鋼。因船上各層甲板通風(fēng)的需要，該船上設(shè)有大量的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，且風(fēng)道壁板及內(nèi)部隔板均為6mm。

2000PCTC汽車滾裝船總長為141.20 m，型寬為24.4m，設(shè)計(jì)吃水深度為6m。該船有9層甲板，第9層甲板為露天甲板，不裝載汽車，其他甲板為車輛甲板；第6層為活動甲板，各層甲板間仍采用活動坡道或固定坡道甲板連接。在整個甲板中第1甲板為10mm，第2、3、4甲板板厚為6.5mm，其中第5甲板板厚為14mm，其他甲板底6、7、8甲板為5.5mm，第9甲板為7mm的薄板，薄板量占全船甲板的比例較大。

從上述兩個系列汽車滾裝船的船體結(jié)構(gòu)情況， 可以初步了解到汽車滾裝船特點(diǎn)就是板材較薄， 厚度在5.5~7mm；另外，其結(jié)構(gòu)的橫向構(gòu)架間距較大，縱向骨材較為單?。℉P100mm×7mm、HP120mm×8mm 或扁鋼100mm×8mm），單個分段甲板片或壁板片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，給建造過程中的切割下料、裝配與焊接、火工矯正、放置、轉(zhuǎn)運(yùn)和翻身吊裝等工序都帶來了很大的困難，各道工序不正確操作都有可能對它產(chǎn)生影響, 并引起板架結(jié)構(gòu)的變形；此外，甲板上還有大量的用于固定汽車的綁扎附件需要安裝，這些舾裝件的裝焊也會帶來薄板結(jié)構(gòu)的變形。

另一個薄板變形的主要原因，是施工過程中各道工序不正確的裝焊，使板架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力未能得到有效釋放；完工后通過強(qiáng)制矯正的方法，盡管解決了甲板平整度交驗(yàn)問題（甲板結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力仍然大量存在）；然而在甲板翻身、擺放、轉(zhuǎn)運(yùn)及沖砂涂裝等各道工序中，受外力的作用，使甲板內(nèi)在的應(yīng)力逐步釋放，造成后期甲板的嚴(yán)重變形。

因此，合理地安排裝配順序和焊接順序，以及過程中的其他環(huán)節(jié)按規(guī)定和要求執(zhí)行，都將有助于減少薄板結(jié)構(gòu)的變形。關(guān)鍵還是控制好建造過程中的每一個環(huán)節(jié)和步驟，制定出相應(yīng)的合理方法和手段，來降低薄板在建造過程中的變形。

3. 薄板裝配焊接變形的控制措施

薄板的建造變形控制，目前是一個工藝技術(shù)性難題，要控制薄板的建造變形，不能單從某一個方面去考慮，而應(yīng)該從板材的下料預(yù)制、裝焊前準(zhǔn)備、裝焊的過程中控制、焊后處理，以及吊運(yùn)擺放等多個方面綜合考慮。下面以甲板分段和風(fēng)道壁板建造過程中的幾個方面闡述。

（1）下料預(yù)制過程的控制 主要包括以下幾點(diǎn)：第一，7mm以下的鋼板在預(yù)處理和數(shù)切后，必須進(jìn)行兩次校平，以釋放板材的內(nèi)應(yīng)力。

第二，無論是手工切割、自動或半自動割刀，板材切割必須選用小口徑割嘴切割，控制好相應(yīng)的切割速度，以減小邊緣的切割變形。

第三，切割后的薄板板材和構(gòu)件吊運(yùn)、翻身時，應(yīng)采用電磁吊、多點(diǎn)吊、專用吊梁和吊夾具，不允許在板材上裝焊吊碼，進(jìn)行單點(diǎn)吊運(yùn)，以免產(chǎn)生板材和構(gòu)件不必要的彎曲變形，同時，也為減少不必要的“碼板”裝焊、拆除和批磨等無用工序。

第四，拼板應(yīng)在表面平整、剛度好的平臺上進(jìn)行，拼板間隙，埋弧焊拼板裝配間隙應(yīng)在0~1.0mm間；為了保證拼板平直度，可采用壓鐵或厚鋼板在焊縫的兩邊進(jìn)行剛性固定；其距焊縫的距離，以滿足專用埋弧焊可行走操作的最小距離為宜。

第五，所有焊材應(yīng)與所焊板材相匹配，嚴(yán)禁用大直徑焊條和大電流施焊。焊后應(yīng)用圓柱型壓鐵進(jìn)行板縫處的滾壓，或用木錘對焊接板縫進(jìn)行錘擊，以釋放拼板焊縫的焊接應(yīng)力，降低焊縫的“撅嘴”現(xiàn)象。

第六，對于板材局部間隙超差，應(yīng)采用打磨或鏟邊的方法來修正，不得采用氣割切割，以避免反復(fù)加熱產(chǎn)生的“撅嘴”變形。

第七，型材在預(yù)制裝配前必須進(jìn)行矯直，不能將變形帶入下道工序。

第八，對大量的風(fēng)道隔板，因尺寸小、結(jié)構(gòu)弱、數(shù)量大，故需采用專用胎架、焊接小車和放反變形的方法，進(jìn)行批量預(yù)制，以減小焊接變形（見圖1）。

第九，所有壁板和甲板預(yù)制成形后，應(yīng)放置在專用“門”字型平板托架上運(yùn)輸，以防轉(zhuǎn)運(yùn)和擠壓產(chǎn)生的變形。

（2）分段建造過程的控制 分段建造的胎架基座必須具有足夠的剛性，并采取固定措施，不得使胎架處于自由狀態(tài)，縱、橫向模板間距應(yīng)≤800mm；縱橫向模板高為250mm左右，但厚度必須≥10mm，以確保分段胎架板不變形。

構(gòu)件、型材應(yīng)根據(jù)圖樣核對尺寸、形狀和數(shù)量，變形或扭曲的型材修整或更換后方可安裝，切忌強(qiáng)行組裝；以免因造成整個板架的變形，而無法矯正。

安裝構(gòu)件時，定位應(yīng)從中間向四周進(jìn)行安裝，先安裝縱向的縱骨構(gòu)件和綁扎碗，且嚴(yán)禁在板架上用“門架”強(qiáng)制裝焊，要充分利用工裝件，進(jìn)行構(gòu)件和舾裝件的安裝。

所有構(gòu)件和板縫的焊接，均不宜超出焊接規(guī)格表中的要求，控制焊腳高度是控制板架變形的有效措施之一。

甲板縱骨的焊接應(yīng)采用雙數(shù)半自動角焊機(jī)，進(jìn)行對稱、間隔、交替從中間向兩側(cè)施焊；焊絲則選用φ 1.0mm，注意控制焊接參數(shù)；細(xì)絲CO2氣體保護(hù)焊的焊接熱輸入較小，可以大大減少焊接變形。

甲板上的汽車綁扎碗，采用雙數(shù)綁扎碗專用焊機(jī)，同樣從中間向兩側(cè)對稱、間隔和交替施焊，以減小焊腳高度和焊接變形（見圖2）。

圖 1

圖 2

裝焊縱、橫向強(qiáng)構(gòu)件和局部加強(qiáng)的加厚板，因加厚板處的加強(qiáng)構(gòu)件都有開坡口的深熔焊或全焊透部位，造成此處焊接量大，應(yīng)力較為集中，也一直是變形較大的區(qū)域；經(jīng)過不斷摸索，控制該區(qū)域的焊接順序，并預(yù)留焊接應(yīng)力釋放口，所以使該區(qū)域的局部焊接變形得到了改觀。

對于面積大且扶強(qiáng)材長的構(gòu)件，應(yīng)采用分段退焊法，焊接時應(yīng)由中央向前后、左右方向進(jìn)行，圍繞中心采取跳焊法，不得集中在一個區(qū)域；同時應(yīng)采用雙數(shù)焊工對稱焊接，且焊工人數(shù)不可超過6人。

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為控制焊接變形，應(yīng)先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量小的焊縫；焊接時應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)定的焊接順序，即應(yīng)遵循由中間向四周，先對接后角接，先立角焊，后平角焊的順序原則進(jìn)行施焊。

平面板架組裝施焊完成后，翻身使用雙頭半自動烘槍，對結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行背燒處理，以釋放裝焊過程中的應(yīng)力。

邊緣的切割應(yīng)盡可能采用自動或半自動割刀，無法用機(jī)械切割的部位，可用手工切割，但應(yīng)采用靠模切割，盡量避免重復(fù)修割所造成的反復(fù)加熱變形；割嘴均應(yīng)采用小號割嘴。

為了保證平面組立沿口平直度，避免翻身、吊運(yùn)時產(chǎn)生變形，沿口矯正后應(yīng)加裝綁材，在不影響后道工序情況下，綁材可帶入到分段或船臺中合攏和大合攏階段。

甲板或壁板建造完工后，應(yīng)使用特制轉(zhuǎn)運(yùn)托架運(yùn)輸，以防轉(zhuǎn)運(yùn)變形。

（3）分段中合攏和大合攏過程的控制 合攏前嚴(yán)禁將甲板段和風(fēng)道壁板在合攏口的綁材拆除，以免造成翻身吊運(yùn)時邊口變形；綁材需在合攏焊縫及結(jié)構(gòu)焊接完成后方可拆除。裝配和焊接過程中的控制同分段建造，在此不再重復(fù)說明。

（4）建造過程中的矯正控制 施工過程中的火工矯正是不可避免的，如果這一關(guān)鍵的環(huán)節(jié)控制不好，將會造成適得其反的效果。

為此應(yīng)遵循以下幾個原則：

第一，板架的起伏波浪變形的矯正。應(yīng)先在凹面兩側(cè)的骨架背部加熱，待尚未完全校平時，在凸起的骨架背面之間用長條形或其他形式的加熱法矯正。

第二，同一板格中凹凸變形的矯正。先在骨架背面采用單或雙線加熱，溫度不宜過高；再在凹凸變形的交界處，采用長條形、短條形、中短直形或十字形加熱進(jìn)行矯正。注：條狀加熱比點(diǎn)狀加熱速度快、效率高，而點(diǎn)狀矯正很容易使板材矯僵；不建議采用。

第三，板架邊緣失穩(wěn)變形的矯正。先用長條形加熱法，矯正靠近變形部位的一段骨架處的起伏波浪變形和“瘦馬”變形，再用三角形加熱法，矯正板架自由邊緣的失穩(wěn)變形。

第四，拼板對接縫起折變形的矯正。先用短條形加熱法矯正縱向彎曲，再用長條形加熱法在焊縫兩邊加熱矯正起折的變形。

第五，為避免由于局部加熱面引起的立體分段總的變形，矯正的操作應(yīng)自下而上的進(jìn)行。而在矯正幾幅毗鄰并列的變形時，應(yīng)間隔一幅進(jìn)行矯正；這樣間隔幅內(nèi)的變形撓度會因毗鄰板幅的收縮而減小，有利于加速矯正。

第六，在矯正兩個相鄰而剛性不同的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)先矯正剛性較大的結(jié)構(gòu)；而矯正板架結(jié)構(gòu)時，先矯正骨材的變形，后矯正板材的變形。

第七，在矯正有開孔或自由邊緣的板架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)先矯正板架變形，后矯正開孔和自由邊緣的變形。

板架結(jié)構(gòu)矯正前后的對比如圖3~圖4所示。

4. 結(jié)語

通過上述過程的控制實(shí)施，總結(jié)出薄板結(jié)構(gòu)板架建造的五個步驟，即：一縱（縱向構(gòu)件的裝焊），二橫（橫向強(qiáng)構(gòu)件的裝焊），三小（其他小部件的裝焊），四關(guān)鍵（關(guān)鍵部位的焊接順序），五矯正（遵循原則矯正）。通過以上方法，有效減少了甲板和壁板在建造過程中的變形，滿足了船東船檢對薄板裝配和焊接等過程中各項(xiàng)精度指標(biāo)和質(zhì)量要求，同時為我廠后續(xù)的汽車滾裝船的薄板結(jié)構(gòu)建造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖3 甲板矯正前

圖4 甲板矯正后的最終效果