薄板浮式箱體焊接變形控制技術(shù)

黃新磊，余文明，徐彪，盧康，彭旭

（中國船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司，武漢430223）

1 引言

浮箱在軍事和民用領(lǐng)域中應(yīng)用非常普遍，特別是水上應(yīng)急交通、工程搶建搶修、臨時便民通道等。根據(jù)應(yīng)用場景需求不同，浮箱采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計制造，外板厚度也分為薄板和厚板，通常板厚在1.5 ～4mm對屬于薄板區(qū)域，焊接變形較大，控制起來相對困難，需要提前預(yù)設(shè)焊接變形工藝方案。在某圍堰修復(fù)項目中采用的浮箱由于質(zhì)量限制，箱體設(shè)計時采用了高強(qiáng)度的薄鋼板，如BS700、DB685等鋼板，加工、裝配后有較大的內(nèi)應(yīng)力，焊接后會比普通鋼板產(chǎn)生更大的變形，焊接生產(chǎn)制造難度較大，如何防止和控制薄板焊接變形是一個突出問題。

2 薄板箱體結(jié)構(gòu)簡介

某薄板箱體主要由甲板分段、底板分段、側(cè)板分段、端板分段、上部連接裝置和下部連接裝置等組成，如圖1所示。

圖1 某圍堰箱體示意圖

薄板箱體具有如下特點：

1）單個外形龐大，能夠拼裝成水上大型浮體；有較高的水密性要求；

2）要滿足水上承載通行時所需要的剛強(qiáng)度要求；

3）箱體為框架式薄板結(jié)構(gòu)，即采用薄鋼板由橋梁結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋焊接組成的箱體，由薄板內(nèi)部加T形或L形筋組成，如圖2所示。

圖2 浮箱甲板、底板分段結(jié)構(gòu)示意圖

3 薄板構(gòu)件焊接變形的原因、分類和變形控制技術(shù)

薄板的焊接變形控制是焊接領(lǐng)域的技術(shù)難題之一，在薄板整體結(jié)構(gòu)的制造中，焊接變形具有因材料和結(jié)構(gòu)的不同而有較大差異的特點，焊接變形的控制效果直接影響到構(gòu)件乃至產(chǎn)品的性能質(zhì)量。因此，如何有效地控制焊接變形，提高構(gòu)件制造尺寸的完整性，一直是薄板結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵技術(shù)問題[1]。

3.1 薄板構(gòu)件焊接變形的原因、分類

在薄板結(jié)構(gòu)的焊接過程中，焊接變形與焊接設(shè)備、焊接技工操作水平有關(guān)。焊接變形的主要分類如圖3所示。

圖3 典型結(jié)構(gòu)的焊接變形分類

3.2 焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素

經(jīng)過實際分段焊接發(fā)現(xiàn)，主要變形與材料、加工以及結(jié)構(gòu)本身相關(guān)性較大。

1）材料：是材料本身的特性決定，與其他因素?zé)o關(guān)。需要經(jīng)過長期的焊接試驗以及培訓(xùn)掌握材料特性，減少焊接影響。

2）制造：屬于工藝影響，與工廠設(shè)備、人員熟練度、焊接選擇的焊接方法有關(guān)。

3）結(jié)構(gòu)：在開始設(shè)計時就需要考慮結(jié)構(gòu)是否合理，加強(qiáng)筋位置是否合適。

3.3 常用焊接變形工藝控制方法

通常的焊接變形控制技術(shù)是在材料和結(jié)構(gòu)特性既定的情況下，采用合理的工藝措施和手段，在焊接過程中主動和焊后被動地控制焊接變形，焊接變形的多樣性與焊接變形的多因素交互作用，導(dǎo)致了控制焊接變形技術(shù)的復(fù)雜性。工藝常用控制焊接變形方法如下：

1）反變形法：反變形法是生產(chǎn)中常用的方法，它是按照事先估計好的焊接變形大小和方向，在裝配時預(yù)加一個相反的變形，使其與焊接產(chǎn)生的變形相抵消。也可以在構(gòu)件上預(yù)制出一定量的反變形，使之與焊接產(chǎn)生的變形相抵消來防止焊接變形。

2）選擇合理的裝配焊接順序。

3）剛性固定法：用各種工藝辦法增加構(gòu)件剛性，限制產(chǎn)生焊接變形，但剛性固定會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

4）預(yù)拉伸法。

5）熱平衡法。

6）散熱法。

7）合理選擇焊接方法和焊接參數(shù)。

8）低應(yīng)力無變形焊接法。

3.4 焊接變形矯正法

在本次生產(chǎn)過程中，采用機(jī)械矯正和火焰矯正2種方式對比進(jìn)行。

機(jī)械矯正法是通過施加外力減少焊接結(jié)構(gòu)的塑性變形。通過試驗發(fā)現(xiàn)，塑性良好的材料，機(jī)械矯正過程會比較順利。對于甲板分段、總裝結(jié)構(gòu)等無法進(jìn)行冷矯正的部件，可采用火工矯正。

火工矯正法主要是對結(jié)構(gòu)局部加熱，然后進(jìn)行局部冷卻。結(jié)構(gòu)獲得不可逆的壓縮塑性變形，火工校正是一理論性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜的工作，用得不好反而會給薄板帶來新變形和新問題[2]。

4 控制和減少薄板箱體焊接變形的措施

根據(jù)薄板構(gòu)件焊接變形知識，綜合分析某薄壁箱體結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合實際制造工藝條件，制定并在實踐中不斷完善了一系列控制焊接質(zhì)量和焊接變形的制造工藝措施，有效地控制了薄板箱體焊接變形。

4.1 選擇合理的裝配焊接順序

將薄板箱體分解成甲板分段、底板分段、側(cè)板分段、端板分段等單分段焊接，單片分段焊接變形在總裝前校正后再上總裝胎架，減少總裝焊接變形。將箱體各部位分成10余個分段或總成進(jìn)行單片焊接矯正，為了提高單片焊接質(zhì)量，要求單片在胎架上組合焊接，為了做好分段火焰矯正，制作了矯直平臺、平錘、壓杠等工具，有效提高了矯正水平。

4.2 剛性夾具固定法

單片分段焊接時，采用了各種方式壓固裝置（胎架、夾具），用剛性固定法減少焊接變形。裝配、焊接時，采用胎架、夾具固定，避免自由狀態(tài)下施焊。

箱體制造時，大量采用各類工裝夾具，在保證總體尺寸、關(guān)鍵件安裝尺寸的同時，可以有效減小焊接變形。以壓代拉，在平臺或胎架上安裝板材時，采用壓鐵壓緊來實現(xiàn)線型吻合和防止變形。剛性加固將箱體前后線型還有箱形梁連接部位牢牢與平臺固定，如圖4所示。

圖4 浮箱底板分段胎架裝焊

4.3 合理選擇焊接方法和焊接參數(shù)優(yōu)化焊接參數(shù)

薄板焊接時，要選擇合適的焊接參數(shù)。在節(jié)點形式、焊縫布置、焊接順序確定的情況下，選用半自動氣體保護(hù)焊等能量密度相對較高的焊接方法并采用較小的熱輸入。

4.4 反變形法

箱形梁是與箱體連接并且作業(yè)時承重的重要部件，要保證其連接部位的尺寸精度，并要保證其焊縫質(zhì)量。根據(jù)經(jīng)驗，制造過程采用反變形法，將前后箱形梁加大間距，比設(shè)計尺寸大3～4mm，實際焊接后測量達(dá)到圖紙要求[3]。

4.5 嚴(yán)格控制焊縫裝配間隙

焊接構(gòu)件裝配時,要盡量減小裝配間隙，由于間隙小，不僅可以提高構(gòu)件剛性，還可以減小焊縫截面和焊接熱輸入。實踐證明，嚴(yán)格控制焊縫裝配間隙是薄板構(gòu)件減少焊接變形的有效措施。

4.6 火焰矯正

單片分段焊接時，采用了各種方式壓固裝置，用剛性固定法減小了焊接變形。焊接后，大多還有較嚴(yán)重的焊接變形，必須進(jìn)行矯正?；鸸こC正在局部原點加熱，同時輔助以外力，通過加熱凸起部分并錘平，不斷重復(fù)操作達(dá)到矯正目的。

5 結(jié)論

某薄板箱體的焊接生產(chǎn)采用以下措施可有效控制焊接變形，提高構(gòu)件制造尺寸的完整性，是制造的關(guān)鍵技術(shù)。

1）將大薄板構(gòu)件分成若干小單片分段，先焊接單片分段，有變形時，要進(jìn)行機(jī)械或火焰矯正，矯正后方可裝配到箱體上，減少箱體焊接時的焊接量和焊接變形；

2）不論單片分段還是箱體，大部件焊接時要將部件牢固地壓緊在平臺或剛性強(qiáng)的胎架上，以減少部件變形；

3）采用細(xì)絲氣體保護(hù)焊，小電流，減少熱輸入，減少焊接變形；