整體壁板裝焊工藝研究

鐘廣軍，朱 雨

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

某船采用的整體壁板是由擠壓成型的鋁合金帶筋板條采用攪拌摩擦焊技術(shù)拼接而成，其相互間對接焊及與分段上結(jié)構(gòu)件在焊后彎曲變形較大的問題是該船上層建筑施工中的技術(shù)難點。焊接完成后產(chǎn)生的較大或超差的初始變形不僅影響上層建筑的整體美觀性，而且還需要精心細(xì)致、全面的水火矯正或機械矯正。同時，若矯正工藝缺乏合理性及規(guī)范性，可能對壁板本身又會造成不同程度的損傷。通過開展焊接及矯正工藝方法研究，以尋求合理、適用、方便的焊接方式、焊接變形的預(yù)防及控制措施、焊后變形的矯正措施等，以便制作出質(zhì)量可靠、外在美觀的整體壁板組合件，提高上層建筑建造質(zhì)量，也是現(xiàn)代造船模式下精益管理和精度控制的需要[1～4]。

1 概 述

根據(jù)船廠建造工藝要求，某船上層建筑各分段均以艙頂甲板或平臺板為基面，在胎架上反態(tài)建造，先完成艙頂甲板上結(jié)構(gòu)件劃線、裝配后，再將艙室內(nèi)圍壁板組立（整體壁板）及外圍壁板組立（整體壁板）逐件吊運、定位及裝焊。

為方便零部件裝焊及變形矯正，降低施工難度，提高小組立完整性，對于艙室側(cè)壁板及橫艙壁，應(yīng)在車間內(nèi)場地面的小組立專用鐵平臺上先將垂直T型材、橫梁、三角板等安裝在整體壁板上，焊接結(jié)束后將整體壁板采用機械或水火矯正的方法進(jìn)行矯平（見圖1）。

圖1 上層建筑整體壁板小組立

為了對整體壁板組立件的焊接變形進(jìn)行一次比較全面、系統(tǒng)的探討和研究，首先基于鋁合金材料特點的理論分析，著手展開研究工作，再根據(jù)施工實際，設(shè)計、制作專用輔助工裝及工具，最后對整體壁板焊接變形控制措施、矯正工藝措施等進(jìn)行歸納、總結(jié)。

2 鋁合金板與普通鋼板在焊接性能與變形量等的不同特點

鋁及鋁合金的化學(xué)活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性（如氧化鋁的熔點約為2050℃，氧化鎂熔點約為2500℃），加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強，因此焊接時容易造成未熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度同鋁的密度極其接近，所以氧化膜也容易成為焊縫金屬的夾雜物。同時，氧化膜可以吸收較多水分而常常成為形成焊縫氣孔的重要原因之一。此外，鋁及其合金的線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性強，焊接時容易產(chǎn)生翹曲、波浪變形。鋁合金薄板焊接后的自由變形是鋁合金自身屬性的最直接體現(xiàn)[5]。

與鋁合金不同，用于船舶建造中的普通鋼，其物理性能和焊接性都比鋁合金要好得多，并且無論是在焊接材料的配備上，還是在焊接工藝方面，都已有長足的發(fā)展及進(jìn)步，并已日趨成熟與完善。鋁合金與普通鋼的常規(guī)物理性能及焊接性對比見表1。

表1 鋁合金與普通鋼的物理性能及焊接性對比

從表1中可以看出，鋁合金的密度約為普通鋼的1/3，線脹系數(shù)約為普通鋼的2倍，導(dǎo)熱系數(shù)約為普通鋼的2～3倍，凝固時體積收縮率達(dá)到65%～66%，因此極易產(chǎn)生焊接變形。盡管普通鋼的焊接性比鋁合金的好，自身強度也比鋁合金高出許多，但由于某些高速船艇（如快艇、氣墊船等）對船體結(jié)構(gòu)自身重量的要求非常嚴(yán)格（在保證結(jié)構(gòu)強度及使用性能的條件下船體自重應(yīng)盡量低），比普通船舶要求苛刻得多，所以，鋁合金材料在高速船艇產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛[5]。

3 整體壁板焊接變形控制工藝

3.1 影響整體壁板焊接變形的因素

影響整體壁板焊接變形的因素很多，但原則上可歸為熱量的輸入與分配、壁板的剛度、結(jié)構(gòu)特點等3大類因素[6,7]。

1) 焊接輸入熱量的影響：由于鋁合金材料焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形可粗略地認(rèn)為由于焊件受到不均勻的加熱，而冷卻時引起焊縫長度縮短和寬度減小所致。焊接變形的大小取決于輸入的熱量、熱源的性質(zhì)以及加熱方法和分配。因此，無論是整體壁板間對接縫或與結(jié)構(gòu)件的角焊縫，都應(yīng)建立起在保證達(dá)到所需強度的前提下，焊接工作量越少越好的觀念，使用合理的焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制焊腳高度。在能夠順利完成整體壁板焊接操作的前提下，坡口型式、角度和裝配間隙等以熔敷量少，以最大限度地減少焊接輸入的熱量。

2) 壁板結(jié)構(gòu)剛度的影響：結(jié)構(gòu)件剛度的大小也將影響焊后的變形。結(jié)構(gòu)件的剛度取決于壁板本身的形狀、尺寸以及安裝在壁板上的結(jié)構(gòu)件，如果鋁合金材料沒有足夠的剛性約束，則在焊接及冷卻過程中，應(yīng)力就將引起焊件的變形并以此減少本身的應(yīng)力。

3) 整體壁板結(jié)構(gòu)特點的影響：與常規(guī)水密艙壁不同，某船整體壁板上的型材按理論尺寸等間距設(shè)置和固定，而安裝在其上面的橫向結(jié)構(gòu)（球扁鋁、水平桁材等）包含較多的三角肘板，在熔化焊接時焊接收縮變形較大，受結(jié)構(gòu)件焊接拉伸應(yīng)力的影響，使整體壁板組立件產(chǎn)生較大的翹曲變形，因此，必須研究采取相應(yīng)的工藝改進(jìn)控制措施，減少焊接變形的影響。

3.2 整體壁板焊接變形控制

在實船建造過程中，為了有效地控制整體壁板焊接的初始變形，著重考慮焊接輔助工裝、設(shè)備、工藝等方面，并靈活運用，有效減小焊接變形[1～4]。

1) 控制好整體壁板焊接變形，必須從源頭（原材料的切割下料、結(jié)構(gòu)裝配間隙的尺寸偏差等）做起，注重施工操作中的各類技術(shù)細(xì)節(jié)，這是有效減小焊接變形的前提條件；

2) 整體壁板等的下料應(yīng)在平整平臺或?qū)Ｓ脭R架上進(jìn)行，不允許隨意堆放在凹凸不平的場地上；整體壁板在裝焊結(jié)束后吊運過程中應(yīng)采取有效措施防止變形；

3) 卡馬及鋼質(zhì)專用壓條板：為使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生較大約束，減少和控制焊接收縮變形，焊接前應(yīng)在小組立多孔平臺上用卡馬將整體壁板四周壓緊，并在拼板縫兩端用引弧板（板厚及材質(zhì)與拼板相同）連接拼板。為進(jìn)一步控制焊接變形，根據(jù)艙壁板架的實際間距事先設(shè)計、制作各種規(guī)格鋼質(zhì)專用壓條板在上層建筑各分段整體壁板板裝焊時，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)情況將專用壓條板置于每兩檔扶強材間或橫向跨過放置在球扁鋁上方，壓條板需均勻放置，然后按設(shè)定的焊接順序施工。采用這種方法焊接后，整體壁板組立件的初始變形明顯變小；

4) 角鋼與鋁質(zhì)模板采用螺栓連接的組合件：為防止小組立裝焊、矯正好的整體壁板在分段大組立階段的受外界因素而變形，吊裝前采用角鋼加鋁質(zhì)模板組合件進(jìn)行剛性固定，安裝在分段圍壁下口的自由邊附近，更好地控制壁板變形；

5) 矯正壓鐵：為配合整體壁板的水火矯正工作以及穩(wěn)定分段的變形，設(shè)計了各種不同重量的焊裝件矯正專用壓鐵，在分段及壁板變形矯正階段配合使用；

6) 優(yōu)選焊接設(shè)備及焊絲：通過對新、舊焊接設(shè)備試驗相比，帶有脈沖電流功能的焊機則比無脈沖功能的焊機更有利于減小焊接變形。現(xiàn)場采用升級后的福尼斯焊接設(shè)備試焊后發(fā)現(xiàn)，其焊腳明顯偏小，焊縫成型均勻，從源頭上有利于控制焊接變形。整體壁板組合件的裝焊采用Ф1.0mm的焊絲，更加適用于薄板焊接，與廣泛采用Φ1.2mm的焊絲相比，可以有效地減小焊腳高度，明顯改進(jìn)和提高焊縫外觀成型質(zhì)量。

7) 嚴(yán)格控制焊接參數(shù)：對于小組立部件，焊后無法避免的焊接變形應(yīng)先予以矯正，符合要求后再進(jìn)入下道工序。合理的焊接順序應(yīng)遵循的原則為：焊接力求分散、對稱，先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量小的焊縫。

3.3 典型結(jié)構(gòu)焊接變形控制

3.3.1 大尺寸整體壁板組件焊接翹曲變形

由于部分整體壁板尺度大（最長可達(dá)6～7m），且需安裝的水平向結(jié)構(gòu)件多，受結(jié)構(gòu)件焊接拉伸應(yīng)力的影響，在施焊這些整體壁板時，沿壁板中心線向兩端產(chǎn)生較大的翹曲變形，嘗試采用常規(guī)的水火矯正及機械矯正工藝效果均欠佳。為此，專門制作整體壁板機械矯正門架，先將變形的板架平放在門架下面的橫梁上，非構(gòu)架面朝上并放置3臺頂升裝置，矯正時先在壁板下方加熱至約60℃，使板材易于彎曲矯正，同時3臺頂升裝置配合緩慢向下進(jìn)行機械反向矯正，作業(yè)過程中需做好壁板的表面保護(hù)措施，避免速度過快、力度過大。在兩者同時作用下使整體壁板得到較好的初步矯平效果；最后再次采用水火矯正工藝，控制好加熱方法和區(qū)間，使壁板局部存在的少量波浪變形得以矯平。針對整體壁板的結(jié)構(gòu)特點，采取了以下措施，進(jìn)一步控制焊接變形（見圖2）：

圖 2 典型艙壁板焊接翹曲變形控制措施

1) 嚴(yán)格按照薄板焊接規(guī)范參數(shù)施焊，控制好焊腳高度及焊接順序；

2) 在適當(dāng)位置進(jìn)一步增加整體壁板四周及中間的壓鐵塊和固定卡馬；

3) 沿壁板組合件中心線向兩邊適當(dāng)預(yù)加反變形量；

4) 水平桁材上的三角肘板預(yù)先裝焊，T型材組件矯正后再整體安裝在壁板上，從而減少焊接拉伸應(yīng)力的影響；

5) T型材面板十字型對接縫在其他構(gòu)件焊接結(jié)束、壁板矯平后最后焊接。

工藝改進(jìn)后，整體壁板翹曲變形明顯減少，經(jīng)過水火矯正后，壁板平整度良好，符合船體建造精度要求，最后將矯正好的整體壁板吊運、放置在專門擱置托架上，做好表面保護(hù)措施，待分段大組立階段裝焊。

3.3.2 球扁鋁與其上垂直桁材的焊接工藝

為進(jìn)一步擴大小組立安裝范圍，同時降低施工難度，上層建筑側(cè)壁板的垂直球扁鋁與T型桁材應(yīng)在地面多孔平臺上安裝，T型材與球扁鋁腹板應(yīng)錯開0～3.0mm以方便焊接（圖3），通過焊接試驗對比發(fā)現(xiàn)，先將球頭一側(cè)的角焊縫裝配點焊固定，再在反面完成腹板立對接焊（球頭處可適當(dāng)打磨出較小焊接坡口），最后完成T型材腹板與球頭的角焊縫，無論是對接縫還是角接縫，采用分段逐漸退焊法，使焊接應(yīng)力更加平均、分散。與先焊接球頭一側(cè)的角焊縫相比，這種焊接順序和方法能夠更好地控制焊接變形，在進(jìn)行火工矯正后，T型材腹板與壁板的垂直度良好（見圖3）。

圖 3 典型T型材與球扁鋁對接焊接

4 整體壁板焊接變形水火矯正工藝

鋁合金焊接變形的矯正措施通常有機械矯正和水火矯正兩種。機械矯正適用于小范圍內(nèi)的局部變形（如艙壁板凹陷等）矯正，常采取敲打或槌擊的方式，使變形部位同其它部位處于同一平面上；水火矯正則適用于范圍較大的變形和變形程度較大的變形，如波浪變形、翹曲變形、“瘦馬現(xiàn)象”等[5～7]。

4.1 壁板拼板焊縫常見變形的典型水火矯正

拼板焊縫的加熱方法為線狀加熱法。加熱溫度：常用100～150℃（板較厚時表面溫度可略高）。操作要領(lǐng)：

1）加熱區(qū)施于拼板焊縫凸起側(cè)（拼板下凹時需從板下方進(jìn)行加熱）；

2）加熱方向由小變形部位移向大變形部位；

3）加熱過程應(yīng)保持連續(xù)性，一條加熱線一次性加熱完成，不可隨意中斷；

4) 若拼板變形較大，需先矯正完焊縫一側(cè)后方可矯正另一側(cè)，兩側(cè)操作要領(lǐng)相同。

4.2 壁板端部自由邊變形的水火矯正

壁板端部自由邊變形一般為波浪變形（見圖4）。常用圓形與三角形加熱法的溫度t≤220～300℃；線形加熱法的溫度為180～200℃。操作要領(lǐng)（參照圖4）：

1) ①、③線形加熱區(qū)背對縱骨角焊縫一側(cè)；

2) ②線形加熱區(qū)正對縱骨角焊縫一側(cè)；

3) ①、②、③線形加熱時從變形小的區(qū)域移向變形大的區(qū)域；

4) 圓形和三角形的組合加熱應(yīng)從里向外（如圖4中④所示）；

5) 圓形和三角形組合加熱的位置一般選在變形上凸與下凹交界處，先矯正變形小的區(qū)域。

5 結(jié) 語

通過對整體壁板的焊接變形控制措施進(jìn)行研究、探討和試驗，即從焊接前的預(yù)防措施到焊接后的矯正措施等，從一定程度上掌握了減小焊后初始變形的方式、方法，對焊接設(shè)備、焊絲等進(jìn)行優(yōu)選，采用更小的焊接電流施焊，并總結(jié)了整體壁板矯正工藝措施，提高了建造精度和焊接質(zhì)量，為實船建造提供了有力的技術(shù)支持和保障，也為后續(xù)產(chǎn)品的批量建造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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