船舶建造過(guò)程中薄板變形問(wèn)題及其控制

閆永思 ，袁紅莉，陳維威

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361000；2.廈門(mén)船舶重工股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000)

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船舶建造過(guò)程中薄板變形問(wèn)題及其控制

閆永思1，袁紅莉1，陳維威2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361000；2.廈門(mén)船舶重工股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000)

采用薄板焊接結(jié)構(gòu)的船舶在建造中為了保證建造質(zhì)量，必須對(duì)薄板變形加以控制。薄板變形問(wèn)題不僅影響著船舶整體外觀，而且關(guān)系到船舶安全與性能。為減少船舶建造過(guò)程中的薄板變形，分析了不同施工階段引起薄板變形的原因，并結(jié)合實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同階段控制薄板變形的有效工藝措施做了總結(jié)，給出了有效控制薄板變形的焊接工藝參數(shù)。

薄板；船體變形；焊接變形；矯形工藝

0 引言

由于船舶薄板焊接結(jié)構(gòu)能減輕船舶自重，提高航速等技術(shù)性能，而且薄板本身也具有重量輕、工藝性能好(易加工、易成型)的特點(diǎn)，所以薄板焊接結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。但是，薄板自身拘束度小，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向收縮、縱向收縮、回轉(zhuǎn)變形、角變形和彎曲變形等問(wèn)題[1]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形，且很難矯正，因而薄板變形的控制一直是船舶建造的難題之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于薄板焊接結(jié)構(gòu)比較注重其理論研究，而對(duì)工藝措施則研究不足。本文結(jié)合實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)控制薄板變形的工藝措施做了總結(jié)并給出有效控制變形的焊接工藝參數(shù)。

1 產(chǎn)生薄板變形的主要原因

薄板在船舶建造的堆放、吊裝、下料、拼板過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生變形。同時(shí)，建造過(guò)程中施工工藝也會(huì)引起薄板變形，其中焊接是引起薄板變形的最主要工藝。薄板焊接變形與焊接材料、工藝、方法及設(shè)備、環(huán)境等諸多因素有關(guān)，是在船舶建造過(guò)程中最難控制的[2]。

薄板堆放時(shí)，如果堆放不合理，比如堆放層數(shù)太多，薄板與架臺(tái)之間接觸面積太小引起薄板受力集中而變形。吊裝時(shí)引起薄板變形的主要因素也是受力集中。在下料階段，不同的切割方法會(huì)引起不同程度的切割變形。激光切割產(chǎn)生的變形比等離子切割產(chǎn)生的薄板變形大。船廠大部分用的是等離子切割技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)切割下來(lái)的薄板，立即會(huì)經(jīng)過(guò)外力拉伸的處理工序，因此產(chǎn)生的變形很小，可以忽略。在拼板、組立階段，薄板變形的主要形式是焊接變形。引起薄板焊接變形的最本質(zhì)因素有2種，分別為：熱變形和焊件的剛性條件。

焊接變形的形成原因可大致分為以下幾點(diǎn)：

(1)焊縫的位置不對(duì)稱。焊縫不對(duì)稱會(huì)引起薄板的焊接彎曲變形。焊縫位置的布置應(yīng)當(dāng)盡量靠近焊件截面的中和軸，焊縫離中和軸越遠(yuǎn)變形就會(huì)越大[3]。布置多道焊縫時(shí)，焊縫應(yīng)當(dāng)對(duì)稱于焊件界面的中性軸布置，從而減小焊件的彎曲變形。

(2)連續(xù)焊產(chǎn)生的熱變形比斷續(xù)焊產(chǎn)生的熱變形大。

(3)焊縫數(shù)量越多、截面的尺寸越大所產(chǎn)生的焊接變形就會(huì)越大。設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少不必要的焊縫，從而減少焊接變形。

(4)焊接方向不合理。焊縫的焊接方向的不同會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)。

焊接分段階段產(chǎn)生的薄板結(jié)構(gòu)變形主要是由焊件結(jié)構(gòu)的裝焊順序不合理引起的。焊件結(jié)構(gòu)的裝焊順序能引起構(gòu)件在不同裝配階段剛性化和重心位置改變，若順序安排不合理，將會(huì)產(chǎn)生焊接變形。因此，焊接分段階段應(yīng)先安裝縱向角鋼或球扁鋼，待焊接后再安裝橫向扁鋼、T 型材、片體等結(jié)構(gòu)。

2 薄板變形的控制

薄板變形問(wèn)題產(chǎn)生于船舶建造的每一個(gè)階段，從堆放、吊裝到下料加工階段、拼板階段、中小組立、片體階段、大組立階段。每一個(gè)階段都有相應(yīng)的控制薄板變形的措施。堆放、吊裝階段的變形是機(jī)械變形，是因?yàn)榘宀氖芰Σ痪鶆蛩?；后面施工階段的變形絕大部分都是由焊接引起的變形，焊接變形也是船舶建造中變形產(chǎn)生的主要原因?？刂坪附幼冃蔚拇胧┮话憧梢苑譃?種：焊前措施、焊接過(guò)程中措施和焊接后的措施[4]。

2.1 堆放吊裝階段薄板變形控制

堆放階段如果薄板堆放的層數(shù)太多，堆放平臺(tái)不平整就會(huì)引起板材受力不均而產(chǎn)生塑性變形。在堆放薄板時(shí)，應(yīng)該增加板材與支撐板架之間的接觸面積，并且不要堆壓太高。板材吊裝時(shí)，用門(mén)架來(lái)支撐板材會(huì)使得薄板受力更加均勻不易產(chǎn)生變形。中組立片體吊裝應(yīng)焊接吊碼，避免用鋼板夾產(chǎn)生塑性變形。運(yùn)輸過(guò)程盡量采用大托盤(pán)或平板車運(yùn)輸，如需采用門(mén)架疊放運(yùn)輸，應(yīng)用連體門(mén)架。運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)注意疊放平穩(wěn)，大塊放在底下，減少長(zhǎng)時(shí)間放置產(chǎn)生應(yīng)力變形，禁止不規(guī)則疊放(根據(jù)片體形狀不同采取正確疊放，原則上采取3～4 個(gè)門(mén)架放置)。

2.2 下料加工階段的變形控制

無(wú)論是球扁鋼或者角鋼下料后必須經(jīng)過(guò)擋床或者火工校直，直線度小于3 mm。

板材10 mm 以下必須采用等離子切割下料，下料前，要檢查放置在切割平臺(tái)的板材水平度以及是否有變形，板邊不能出現(xiàn)明顯的上翹或下塌，確保切割面垂直度。切割時(shí)，應(yīng)先調(diào)整好與板厚匹配的機(jī)臺(tái)電壓、電流、氣壓、速度等參數(shù)再開(kāi)始切割，保證零件尺寸精度和板邊的垂直度≤4°(即7 mm 板的板邊上下面尺寸差應(yīng)不大于0.5 mm)。為減少各階段變形，拼板肩上盡量減少開(kāi)孔。

2.3 拼板階段

拼板階段要保持場(chǎng)地的平整度，每個(gè)月對(duì)地線進(jìn)行刨平1～2次，保持地面平整。

調(diào)整好匹配的焊接參數(shù)，以減小焊接變形，保證焊接質(zhì)量。拼扳焊縫埋弧焊焊接后不允許有折角，如焊接后產(chǎn)生折角可采取以下3種方式處理：

(1)放壓載鐵等重物約束變形，待焊縫冷卻后再移開(kāi)。

(2)焊縫上面墊板采用大錘進(jìn)行錘擊的方式對(duì)焊縫消除應(yīng)力。

(3)以氣刨重新焊接的方式進(jìn)行處理。折角變形控制在2 mm 以內(nèi)。焊縫檢查制作直線木樣板進(jìn)行比對(duì)。板片原則上需縱向翻身，如采用橫向翻身應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行加強(qiáng)。拼板后板片應(yīng)減少不均衡疊壓，避免局部受到折角或不規(guī)則變形。

板片拼板后疊放時(shí)，板面應(yīng)放在吊耳等高的圓管支撐上。吊耳應(yīng)套圓管保護(hù)，以減少疊放變形。拼板片體的運(yùn)輸采用固定工裝門(mén)架。拼板焊接的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拼板焊接工藝參數(shù)

2.4 中小組立和片體階段

此階段T型材采用角焊機(jī)焊接，3 m長(zhǎng)以上進(jìn)行分段退縮焊以減少變形。焊接后進(jìn)行水火矯直，直線度偏差小于3 mm。

所有片體在水平框形胎架上面制作。大組立安裝自由邊采用活絡(luò)加排進(jìn)行加強(qiáng)控制變形，結(jié)構(gòu)通過(guò)拼板焊縫位置采用焊縫打磨平的方式進(jìn)行裝配，禁止在結(jié)構(gòu)上面以通焊孔的方式安裝。片體制作先安裝縱向角鋼或球扁鋼，焊接應(yīng)采用單頭或者雙頭角焊機(jī)進(jìn)行焊接，再裝配橫向扁鋼、T 型材。片體骨材焊接時(shí)先從中間往兩邊焊接，如果結(jié)構(gòu)較多應(yīng)采取間隔跳焊。

片體每根骨材的焊接需采取退縮焊接方式進(jìn)行，應(yīng)注意保留待焊區(qū)。片體球扁鋼焊接盡可能的采用角焊機(jī)進(jìn)行，嚴(yán)格控制焊接電流電壓。焊前焊角、焊接順序標(biāo)注清晰，而型材必須先對(duì)接校直后才能上片體裝焊。

片體制作完整之后首先對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行火工矯直，直線度控制在3 mm 以內(nèi)；接著將片體翻身，加排并組合成一體。合攏接口采用固定加排進(jìn)行加強(qiáng)，不背燒。加排的主要目的是為了方便吊運(yùn)及分段的最后火工矯正。

2.5 大組立階段

此階段胎架的水平度偏差不能超過(guò)3 mm。強(qiáng)結(jié)構(gòu)如T型材和縱橫壁片體結(jié)構(gòu)的下面必須要有胎架支撐。

為減小變形應(yīng)提前將自由邊固定加排預(yù)埋進(jìn)胎架里面(分段脫胎帶入分段中)?；鶞?zhǔn)板上胎架后與胎架的連接采用小鐵板進(jìn)行焊接，以減少對(duì)胎架平面度的損壞。此階段控制薄板變形的一個(gè)重要措施是要恰當(dāng)處理焊接及火工，尤其對(duì)焊接順序要安排得當(dāng)。一般原則是：先焊外板與外板拼板焊縫，然后焊結(jié)構(gòu)的對(duì)接焊縫，再焊結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的角焊縫，最后焊接結(jié)構(gòu)與外板之間的角焊縫?；鸸ぴ诜侄瓮旯ぶ斑M(jìn)行。焊接參數(shù)的明確規(guī)定是為了保證焊接及焊后的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)焊接的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)焊接的工藝參數(shù)

焊接順序也是影響薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的重要因素。為使得薄板焊接變形盡可能得小，要選擇合理的焊接順序。

(1)基準(zhǔn)板對(duì)接縫焊接順序

基準(zhǔn)板定位前胎架的基準(zhǔn)面以及密度必須滿足精度要求，同時(shí)要遵守基準(zhǔn)板不點(diǎn)胎的相關(guān)規(guī)定，以減少修補(bǔ)量。補(bǔ)充說(shuō)明：基準(zhǔn)板不點(diǎn)胎，不是整片基準(zhǔn)板都不點(diǎn)胎，而是僅選取基準(zhǔn)板的幾個(gè)“硬點(diǎn)”進(jìn)行固定，這些硬點(diǎn)例如：T 型材與T型材的交點(diǎn)，T 型材與壁板的交點(diǎn)，壁板與壁板的交點(diǎn)等。當(dāng)這些硬點(diǎn)處在需求的平面之后，表明整個(gè)構(gòu)架的平面度符合要求?；鶞?zhǔn)板若是由2～3 塊拼板拼接而成，板縫則可以從頭至尾焊接完整，不用退縮焊。

(2)基準(zhǔn)板上面型材的焊接順序

焊接順序：平對(duì)接→立對(duì)接→立角焊→平角焊→由內(nèi)往外。若基準(zhǔn)板需要待焊區(qū)的必須保留，一般情況下，與外圍板對(duì)接的結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D紙標(biāo)注需求預(yù)留待焊區(qū)，以確保后續(xù)對(duì)接的精度。

(3)分段裝配完整后，按規(guī)范實(shí)施焊接。分段完整性壁板對(duì)焊接的焊接順序：平對(duì)接→立對(duì)接→立角焊→平角焊→由內(nèi)往外。

(4)甲板的焊接要采用對(duì)稱退縮焊，舾裝件的焊接也要處于受控狀態(tài)。分段胎上完整性之后，脫胎要水平放置，支撐必須在強(qiáng)檔處,然后才能進(jìn)入火工階段。

(5)壁板凹凸變形的火工順序。壁板背燒時(shí)應(yīng)每間隔一檔進(jìn)行背燒。實(shí)際操作時(shí)從變形小的先進(jìn)行，然后再進(jìn)行變形大的，直到最后完整為止。

(6)型材與壁板同時(shí)進(jìn)行的火工順序。當(dāng)型材與壁板同時(shí)變形的時(shí)候，應(yīng)先火工型材再火工壁板然后待壁板校平之后再對(duì)變形超標(biāo)型材進(jìn)行火工。

(7)對(duì)于有些變形量較大的板，雖經(jīng)火工處理，但還無(wú)法達(dá)到精度要求的，則必須采用借助外力輔助的火工方法，起到事半功倍的效果。

3 結(jié)論

本文主要從建造工藝這一方面闡述了船舶建造過(guò)程中所面臨的薄板變形問(wèn)題，以及工藝上對(duì)于薄板變形的控制措施，重點(diǎn)陳述了焊接工藝對(duì)焊接變形的影響，并且文章在總結(jié)建造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了控制薄板變形的具體工藝措施和焊接工藝參數(shù)。以上所述工藝措施和工藝參數(shù)在控制薄板變形方面都取得了很好的效果。

[1] 方總濤，孫勃，李春潤(rùn)，等.薄板焊接變形控制措施的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代焊接,2011(7)：20-22.

[2] 杜小明，廖鑫海.船舶薄板焊接變形及對(duì)策[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2012,31(19):51-53.

[3] 王長(zhǎng)生，薛小懷,樓松年，等.薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術(shù),2008,34(4):66-68.

[4] 陸?zhàn)?，陳俊梅，陳家?薄板結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬及其應(yīng)用[J].電焊機(jī),2007,37(6):71-74.

[5] 張蔚.高速船鋼質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)焊接變形研究 [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

2015-04-15

閆永思(1990—)，男，碩士研究生，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能與安全性研究;袁紅莉(1967—)，女，高級(jí)工程師，副教授，主要從事船舶建造工藝技術(shù)研究。

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