淺談船用薄板焊接變形的控制

田金寶 焦 智

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司 201913）

淺談船用薄板焊接變形的控制

田金寶 焦 智

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司 201913）

本文從船用薄板常常出現(xiàn)焊接變形的原因出發(fā)，確定出影響焊接變形的兩個變量為壓縮殘余應(yīng)力和彎曲臨界引力。而后從焊接設(shè)計(jì)到焊后矯正的整個階段進(jìn)行考慮，對整個焊接過程進(jìn)行控制和監(jiān)督，以達(dá)到控制焊接變形的目標(biāo)。

船用薄板；焊接變形；工藝控制

低合金高強(qiáng)度的鋼薄板常常作為船用薄板使用，這種薄板能夠大幅度的降低船體的自重，同時利于提高航行速度。然而，薄板的焊接技術(shù)仍有待提高，焊接薄板中常出現(xiàn)焊接變形的情況。

1 船用薄板焊接產(chǎn)生變形的原因

焊接時引發(fā)薄板變形的原因較為多樣，無論是焊縫的位置還是整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都有可能產(chǎn)生薄板變形。此外，薄板的預(yù)處理不到位以及切割方式不對也可能是造成變形的原因。

從內(nèi)在原理上來講，當(dāng)薄板在進(jìn)行焊接和強(qiáng)制裝配等處理時，往往會產(chǎn)生一定量的壓縮殘余應(yīng)力。當(dāng)壓縮殘余應(yīng)力大于薄板結(jié)構(gòu)的彎曲臨界應(yīng)力時，薄板就會出現(xiàn)波浪形狀的變形和筋骨外漏的情況，也就是我們俗稱的“露筋現(xiàn)象”。從上述描述中我們不難發(fā)現(xiàn)，要控制焊接變形最重要的是對壓縮殘余應(yīng)力和彎曲臨界應(yīng)力這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行平衡或改變。

那個關(guān)系可以用公式表示為：

屈曲臨界應(yīng)力=k（t/B）2

其中，t和B分布為薄板的厚度和寬度，而k則是板架的支撐結(jié)構(gòu)系數(shù)。

2 對船用薄板焊接變形的控制

2.1 設(shè)計(jì)階段的控制

2.1.1 板架支撐和板縫布置優(yōu)化

為了提高屈曲臨界應(yīng)力，在進(jìn)行板架支撐設(shè)計(jì)時需要提高艙壁扶強(qiáng)材的數(shù)量和剖口面積。此外，在生產(chǎn)時在艙壁合攏口的一層加一些水平扶強(qiáng)材，也可以設(shè)置槽鋼等來提高支撐結(jié)構(gòu)系數(shù)。

板縫布置的距離越合理，就越能降低焊接變形的可能。因此，板縫的位置要盡量靠近結(jié)構(gòu)件，這樣可以依托結(jié)構(gòu)件自身的剛性來減少變形此外，拼板時盡量選用較大尺寸的板子，可以減少焊接的次數(shù)從而減少變形的可能性。此外，焊縫的位置盡量對稱也能減少變形。最后，盡量在設(shè)計(jì)階段減少火焰工序，對存在大開口情況的薄板結(jié)構(gòu)，在其套料圖上可設(shè)置“引橋”來跨過開口。

2.1.2 焊縫設(shè)計(jì)的優(yōu)化

焊縫的橫向收縮可能會帶來薄板的波浪變形等，因此，控制其收縮的比例就可以有效地控制器焊接變形的可能。

具體來說，為了在滿足船體自身對強(qiáng)度要求的前提下，盡可能地降低收縮值，可以通過減少焊腳高度來實(shí)現(xiàn)。此外，在船體的上層建筑的焊接縫隙工作中，在考慮結(jié)構(gòu)腐蝕的前提下適當(dāng)?shù)厥褂脭嗪负碗p面對稱間斷焊等焊接手法。

2.2 構(gòu)建運(yùn)輸階段的保護(hù)

在進(jìn)行裝車和卸貨的過程中，要注意薄板是否被保護(hù)到位，是否會受掛鉤部位的影響而變形。此外，還可以制作胎具籠子來保護(hù)薄板，減少其直接接觸吊鉤等構(gòu)建的次數(shù)。

2.3 施工階段的控制

2.3.1 預(yù)處理階段

預(yù)處理一般是用數(shù)控機(jī)床來進(jìn)行等離子切割下料，等離子水下切割可以防止變形。同時近來時興的激光切割也可以達(dá)到減少結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力積累的目的，從而控制變形。此外，預(yù)處理還包括對板材的邊緣進(jìn)行加工。

作為船體建造的第一個步驟，預(yù)處理需要對鋼板在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的彎曲進(jìn)行矯正，使之平整。而厚度低于6mm的薄板在跑完后容易出現(xiàn)變形，因此要進(jìn)行手動打磨和酸洗?；蛘咴谡麄€扶強(qiáng)材裝焊完畢后在進(jìn)行拋丸工序。

2.3.2 裝配焊接階段

裝配過程中需要控制裝配間隙在0到厚度的1/10之間，并且角焊縫的根部縫隙不得超過0.5mm。因此，在進(jìn)行角焊縫和板材的對接焊縫處理中，先焊對接縫，再對完成角焊縫的構(gòu)建進(jìn)行劃線，并對在交叉口出現(xiàn)的余高等情況進(jìn)行處理。

此外，還需要控制放置反變形量，首先要確定合理的反變形值，但這一處理并不穩(wěn)定。因此，要在裝配過程中使用磁吸馬板來降低對鋼板的磨損。同時，當(dāng)變形控制需求較高時，先做板對接和骨架裝配，再統(tǒng)一進(jìn)行焊接。

2.3.3 焊接方法優(yōu)化

優(yōu)化焊接方式主要是通過選擇熱輸入量較小的方式來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闀缘脽釘?shù)量可以控制溫度，進(jìn)而減少焊縫收縮。具體來說，選材上可以選擇小直徑的焊條和多層多道焊條以及小直徑的藥芯焊絲。在小電流的條件下使用快速不擺動焊法進(jìn)行焊接。

或直接使用二氧化碳自動交焊機(jī)，這種方法能夠通過二氧化碳?xì)怏w保護(hù)薄板，對控制變形有利。此時，如果將保護(hù)氣體更換為80%氬和20%的二氧化碳的混合氣體，對控制焊接時的飛濺有著較大的幫助。

2.3.4 焊接順序優(yōu)化

在焊接進(jìn)行前編制典型分段結(jié)構(gòu)的順序來指導(dǎo)焊接工作，一般選擇先焊對接焊縫，后焊構(gòu)架上的角焊縫。對于較為特殊的情況進(jìn)行特殊地處理和適當(dāng)?shù)貎?yōu)先焊接。

具體來說，對于船體外板和甲板這種焊接面較大的板塊處理時，盡量先焊變形較大的長焊縫，再焊短焊縫。到了正式焊接的時候，則反向處理。此外，在進(jìn)行船體上層建筑的焊接時，也需要先做板材的對接焊縫處理，在處理焊構(gòu)架的角焊縫。雙焊工同時對扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)進(jìn)行對稱施焊。最后，若焊縫長度超過1m，則需要先焊上1/3的部分，再由上往下的進(jìn)行逐步退焊。

2.4 焊接后的校正

實(shí)踐證明，即便通過以上的工藝進(jìn)行焊接變形的控制，仍然很難達(dá)到焊后薄板的完全不變形。因此，需要在焊接完成后開展矯正工作，一般采用線狀加熱法進(jìn)行火工校正。此外，還有部分船廠引進(jìn)了薄板感應(yīng)熱矯平設(shè)備，這種設(shè)備能夠有效地改善矯正的環(huán)境，因而對5mm以下的薄板焊接變形都有較好的處理效果。其中，火工矯正就是通過控制溫度來矯正變形，而溫度的判斷則需要通過鋼材表面加熱的顏色來進(jìn)行估計(jì)。

2.5 過程監(jiān)督

過程監(jiān)督是全程的監(jiān)督，具體來說就是要在實(shí)施焊接和矯正的過程中檢查方案是否合理，并進(jìn)行效果評估，并對監(jiān)督過程中發(fā)現(xiàn)的焊接問題進(jìn)行及時糾正。

此外，過程監(jiān)督還應(yīng)當(dāng)建立適當(dāng)?shù)莫剳椭贫?。組織焊接工作內(nèi)部員工進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，以實(shí)現(xiàn)焊接各工段相互學(xué)習(xí)、共同提升。在工作過程中，以焊接變形控制的結(jié)果為導(dǎo)向，對先進(jìn)工段予以表彰和獎勵，對制作水平較差的工段予以懲罰，嚴(yán)重的可責(zé)令停工。

3 結(jié)語

通過從焊接設(shè)計(jì)階段到最終的焊后矯正階段的管理和監(jiān)督，最終能夠?qū)Ρ“搴附幼冃蔚那闆r進(jìn)行較好的控制。實(shí)際上，在這個過程中除了是對焊接變形情況的控制外，還對預(yù)防和避免焊接事故和提升焊接質(zhì)量起到了較好的作用。就目前來看，熱彈塑性等新型模型和方法對于控制焊接變形具有較好的作用。而我們進(jìn)行研究的最終目標(biāo)是追求薄板焊接一次成形，無需任何矯正的新型技術(shù)。

[1]畢磊，田喜平，王樹堂.淺談薄板結(jié)構(gòu)件的焊接變形及控制[J].國防制造技術(shù)，2013，05：46～48.

[2]鐘英福.淺談薄板鋼結(jié)構(gòu)焊接變形質(zhì)量控制與管理[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，05：213.

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2016-8-13