內(nèi)河船舶焊接變形的控制與矯正

湯忠泉

（如東縣地方海事處，江蘇南通 226400）

內(nèi)河船舶焊接變形的控制與矯正

湯忠泉

（如東縣地方海事處，江蘇南通 226400）

文章以內(nèi)河船舶為例針對生產(chǎn)過程中所遇到的各種焊接變形問題，分別從控制和矯正兩方面來討論減少變形的方法，具有一定的參考價值。

船舶；焊接變形：變形控制；矯正

0 引言

現(xiàn)代造船工藝中，焊接工藝在整個工作流程中占了相當(dāng)大的一部分。提高船體的焊接質(zhì)量，對于船體的建造、船舶安全航行、正常營運等有著十分重要的意義。[1]焊接的質(zhì)量不僅影響了船體的外觀型線的光順，而且還會影響船舶結(jié)構(gòu)強度，進而會影響到船舶的安全。焊接變形不僅會影響到船體型線和船舶阻力，還會給船體機械、推進裝置以及操舵裝置的安裝帶來困難，甚至無法達到安全要求。而焊接質(zhì)量在船舶建造過程中，其質(zhì)量是最重要并且最難以控制的一個部分。船體是一種典型的板架焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代造船中焊接工作量在整個船體建造總工作量中占相當(dāng)大的比例，焊接的質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響到船體的建造周期、成本和使用性能。[2]對于殼比較薄的船體來說，焊接變形對船體的影響更大。[3，4]為了更好地控制焊接變形，本文從焊接變形原因和焊接變形控制方法兩方面來分析如何減少焊接變形。

1 焊接變形產(chǎn)生的原因

焊接是通過高溫高熱將兩塊構(gòu)件的結(jié)合部快速融化并融合成一起的工藝過程。由于該過程速熱速冷，通過熱脹冷縮，焊接過程和成型后會產(chǎn)生焊接變形。冷卻時，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行，膨脹和收縮變形均受到約束而產(chǎn)生塑性變形。因此焊接變形可以分為在焊接過程中發(fā)生熱變形和在室溫條件下的殘余變形。[5]而造成焊接變形的原因主要有材料、結(jié)構(gòu)與工藝等三個方面。

1.1 材料因素的影響

焊接的變形不僅和材料本身的屬性有關(guān)，還和材料本身的物理性能、機械性能有關(guān)。而熱物理性能對焊接變形的影響主要體現(xiàn)在熱導(dǎo)率上，一般情況下，熱導(dǎo)率越小，溫度梯度越大，材料的焊接變形就越顯著。材料的機械性能同樣也會對焊接變形產(chǎn)生影響，其中材料受熱膨脹而產(chǎn)生的變形最為明顯。一般來講，熱膨脹系數(shù)越大，焊接材料的變形量也就會越大。高溫時，材料的屈服極限和彈性模量也會對焊接變形產(chǎn)生影響，彈性模量越大焊接變形也就會越小，而對于較高的屈服極限，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也就會越大。焊接結(jié)構(gòu)中的變形能量也就會越大，從而導(dǎo)致脆性裂變。脆性應(yīng)變較大，從而導(dǎo)致塑性應(yīng)變較小，因此所導(dǎo)致的焊接變形也就會減少。不同材料的物理性能和機械性能都不相同，因此焊接產(chǎn)生的變形也會不盡相同。

1.2 結(jié)構(gòu)因素的影響

結(jié)構(gòu)的布置同樣也對焊接變形的影響也非常的關(guān)鍵。一般來講，結(jié)構(gòu)的約束越多，對于變形的抑制力也就越強，因此由于焊接而產(chǎn)生的變形也就越小。一般復(fù)雜結(jié)構(gòu)本身的約束力在焊接過程中處于主導(dǎo)地位，而結(jié)構(gòu)本身的約束情況會隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加而變化。在焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，經(jīng)常需要利用肋骨或加強板，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對板厚、加強筋和肋板的位置以及約束進行優(yōu)化對于減小變形有著十分重要的作用?？傮w來講，結(jié)構(gòu)因素包括三個方面：焊縫數(shù)量和斷面大小，焊縫數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)變量越多，所產(chǎn)生的焊接變形越多；焊縫接頭形式，例如對接焊和角接焊所產(chǎn)生的變形就不盡相同；構(gòu)件的尺寸和形狀，尺寸和形狀與構(gòu)件的剛性有關(guān)。

1.3 工藝因素的影響

焊接方法、焊接電流、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等都會對焊接變形產(chǎn)生一定的影響。對比各種焊接工藝，焊接順序多焊接變形影響最為顯著，在長期的工作實踐中，總結(jié)出了一整套焊接工藝規(guī)范以減少焊接的殘余應(yīng)力和變形，焊接工藝對焊接變形的影響主要包括以下五個方面。

（1）焊接參數(shù)。焊接參數(shù)即為焊接所產(chǎn)生的能量，不同的焊接方式，所產(chǎn)生的焊接能量不同，進而導(dǎo)致熱量不一致，從而使焊接產(chǎn)生的變形不盡相同。

（2）施焊方法。不同的施焊方法，所產(chǎn)生的溫度不一樣，所以形成的變形也不盡相同。

（3）焊接工藝方法。不同的焊接工藝，所產(chǎn)生的溫度場也不盡相同，形成的熱變形也不相同，如自動焊比手工焊變形小，CO2氣體保護焊變形小，更適合于薄板結(jié)構(gòu)的焊接。

（4）胎夾具的應(yīng)用。夾具一般用于固定、增加焊接材料的剛度，從而達到減少焊接變形的目的。

（5）裝配焊接程序。裝備過程對焊接變形也起到一定的作用，一般來講，約束大焊接變形較小，而約束小則焊接變形相對來說較大。

2 船體焊接變形的種類

船體結(jié)構(gòu)的焊接變形是由各種基本變形組合而成，一般來講是由整體變形和局部變形疊加而成。焊接以后整個結(jié)構(gòu)的尺寸或形狀發(fā)生的變化即為整體變形，如圖1所示。整體變形主要包括總體尺寸的縮短和變形彎曲（例如中拱、中垂和扭轉(zhuǎn)變形）等兩個方面。而焊接以后局部所產(chǎn)生的小范圍變形（如角變形和波浪變形等）為局部變形。

圖1 焊接所產(chǎn)生的各種變形

3 控制船體焊接變形的原則與方法

焊接變形和焊接剛性組成是對焊接殘余變形影響的兩個主要因素，因此，焊接殘余變形是不可避免的，完全消除焊接變形也是不現(xiàn)實的。只有在設(shè)計船體結(jié)構(gòu)和建造的時候，采取具體有效的措施來控制和減少焊接殘余變形。船體的設(shè)計除了要滿足結(jié)構(gòu)的強度和性能以外，還必須保證最低的焊接變形和最少的勞動消耗。焊接工藝是船體施工中的重要工藝之一。合理的焊接工藝除了能夠有效地減少焊接變形還能減少應(yīng)力集中。在船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中考慮焊接工藝特點，不僅能減少殘余變形，增加船舶強度還能提高船舶的使用性能。

為了減少焊接變形，在船體結(jié)構(gòu)方面采取了各種有效措施以減少船體結(jié)構(gòu)焊接的變形，例如船體結(jié)構(gòu)分段建造，即是將變形控制在各個分段和部件上。并且對于每條主焊縫，選擇盡可能小的焊角和短焊縫。船體焊縫的布置與船體分段截面中性軸對稱，以避免過度扭曲的焊接和彎曲；在焊接工藝中，一般采用焊前預(yù)防的方法控制船體結(jié)構(gòu)的焊接變形。焊前預(yù)防方法一般包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法、剛性固定組裝法等三種。

（1）預(yù)變性法是在焊接以前，首先預(yù)測變形的大小和方向，根據(jù)預(yù)測的變形在焊接以前造成與焊接殘余變形相反的變形。焊接完成后，焊接產(chǎn)生的變形抵消掉原始變形，使結(jié)構(gòu)達到焊接要求的形狀和尺寸。

（2）欲拉伸法多用于薄片狀的平面構(gòu)件。一般情況下，薄板應(yīng)在有欲張力或熱膨脹的情況下進行，焊接以前通過預(yù)熱處理能夠有效地降低板的殘余應(yīng)力，減小焊接變形。預(yù)熱能夠使鋼板變熱，減少焊接時的溫度梯度。溫度梯度減少了，焊接變形所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力減少，從而達到減少焊接變形的作用。

（3）剛性固定法是采用模具或夾具將焊接構(gòu)件進行固定，該方法能有效地減少焊接所產(chǎn)生的局部變形。

4 船體焊接變形的矯正

在船體建造時采用了各種方法進行了船體結(jié)構(gòu)的焊接變形的控制，但整體上來講，船體是復(fù)雜的板架結(jié)構(gòu)，很難完全控制船體結(jié)構(gòu)的焊接變形。一般來講就要求對所產(chǎn)生的變形進行矯正。焊接變形的矯正多用于焊接構(gòu)件所產(chǎn)生的局部變形，其矯正方法主要有火焰矯正法及機械矯正法兩種。

4.1 火焰矯正法

火焰矯正是通過對金屬構(gòu)件進行連續(xù)不斷的加熱，根據(jù)熱脹冷縮的原理，冷卻以后，這部分的焊接金屬產(chǎn)生了不可逆的塑性變形，從而使焊接變形的構(gòu)件進行矯正?；鸸コC正只適用于一部分塑性材料，對于塑性差和脆性的材料來說，火工矯正的方法通常是不適用的。為了提高工作效率，船廠多使用噴水的方式使材料進行冷卻。根據(jù)加熱部件來分，火工矯正通常分為整體熱矯正法及局部熱矯正法兩類。整體熱矯正法是將整個構(gòu)件直接加熱到鍛造溫度以上，然后再對整體構(gòu)件進行矯正。該方法能矯正大的變形偏差但容易引起冶金副作用，因此該方法難以進一步繼續(xù)推廣。局部熱矯正法是采用火焰對構(gòu)件局部進行加熱，由于在高溫下，材料局部受熱膨脹，受到材料自身的限制，局部發(fā)生小范圍變形，該方法抵消了焊接后的部位變形，從而達到矯正的目的。

4.2 機械矯正法

機械矯正法是通過物理方法，在常溫的條件下，通過拉壓以矯正焊接結(jié)構(gòu)的變形，減少或消除焊縫區(qū)的塑性變形，達到矯正變形的目的。由于機械矯正容易是材料冷作脆化，因此采用機械方式對焊接變形進行矯正僅限于塑性較好的材料。

5 結(jié)束語

船舶在建造過程中的焊接變形是不可避免的，但是可以根據(jù)實際情況，采取各種合理有效的措施，對焊接變形進行有效的控制和減少，從而使船體焊接變形滿足相應(yīng)的強度和使用性能的要求。

[1]陳楚，船體焊接變形[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

[2]曾平.船舶材料與焊接[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006.

[3]張子睿.船體火工高級工培訓(xùn)教程[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[4]金鵬華.船體冷加工[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[5]黃鎮(zhèn).船體火工[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

Control and Rectification of the Inland Ship’s Welding Deformation

TANG Zhong-quan
(Local Marine Department,Rudong County,Nantong 226400,China)

Taking the inland ship as a case of study,this article,in combination with the problems in welding deformation arising from the process of production,studies the methods to reduce deformation from the angles of control and rectification,which is of certain reference value.

Ship;Welding deformation;Deformation control;Rectification

U671.84

A

1671-9891（2014）03-0039-03

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.011

2014-05-20

湯忠泉（1958—），男，江蘇如東人，如東縣地方海事處工程師。