船舶制造相關(guān)工藝的應(yīng)力與變形問題研究

呂海行　雷海森

摘 要：船舶制造是一項對制造精度要求較高的工程，其整體質(zhì)量受多種綜合因素的影響。應(yīng)力集中和變形是對船舶制造質(zhì)量影響較大的兩個因素，對船舶的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及實用性造成了極大的影響，需采取相應(yīng)的工藝對其進(jìn)行有效控制。主要研究了船舶制造過程中應(yīng)力集中、變形問題的控制策略，以期為后期船舶制造工程提供相應(yīng)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船舶制造；應(yīng)力集中；變形；焊接工藝

中圖分類號：U671 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.118

在船舶制造過程中，應(yīng)力集中和變形是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對船舶的整體質(zhì)量產(chǎn)生了極大的影響。如果這兩個問題得不到合理的控制，不僅會造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、尺寸存在偏差、強(qiáng)度下降等不良后果，同時也會大大增加后期制造的難度。為保障船舶的整體制造質(zhì)量，本文特立足于船舶制造過程中可能產(chǎn)生的相關(guān)問題，提出了有關(guān)解決應(yīng)力集中和變形問題的幾點建議，現(xiàn)作如下總結(jié)。

1 船舶制造過程中消除應(yīng)力的策略

1.1 確保焊接工藝參數(shù)的合理性

焊接工藝參數(shù)是對應(yīng)力產(chǎn)生直接影響的因素，其合理性的控制尤為重要。首先，應(yīng)嚴(yán)格以船舶的實際焊接結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，在條件許可的情況下，盡量以手工電弧焊等小焊接線能量為優(yōu)選；其次，為盡可能地減少焊接的殘余應(yīng)力，應(yīng)選擇小直徑焊條下限值焊接電流；最后，可選擇焊速較快的中等焊接電流，以降低焊件的受熱程度，由此將焊接的殘余應(yīng)力降至最低。

1.2 以科學(xué)的順序焊接

焊接是一道需嚴(yán)格遵循科學(xué)順序的工序，相關(guān)人員需足夠重視。焊接時，首先，觀察鋼板和焊縫，對一端自由伸縮的可能性進(jìn)行保留；其次，優(yōu)先焊接不會對其他焊縫產(chǎn)生剛性拘束的焊縫；再次，如果構(gòu)架與板接縫呈相交狀態(tài)，且具有角接縫和對接縫，則優(yōu)先焊接對接縫，然后再焊接角接縫；最后，進(jìn)行分段、總段焊接時，應(yīng)保持施焊的對稱性，以分段中部向左右、前后為順序，以雙數(shù)焊工施焊，由此對結(jié)構(gòu)均勻的收縮性形成保障。此外，如果各種構(gòu)件均位于大接頭的同一斷面，則首先應(yīng)焊接大接頭的對接焊縫，然后焊接其他構(gòu)件的對接縫和角接縫，由此促使大接頭產(chǎn)生殘余應(yīng)力或減少殘余拉應(yīng)力。

1.3 對焊接的電流和電壓進(jìn)行控制

電流、電壓的控制是船舶焊接焊縫過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，不僅影響著手工電弧焊的穩(wěn)定性，同時也與焊縫成形情況有著密切的聯(lián)系。通常情況下，焊接電流與焊縫熔深成正比——焊接電流越大，焊縫熔深越深；焊接電流越小，則焊縫熔深越淺。在焊接電流較大的情況下，表面堆高較易呈凸起狀態(tài)；反之，則起弧的難度相對較大，同時也易使焊接電弧缺乏穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)熄弧現(xiàn)象。但在電流過大的情況下，又極易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，因此，電流并非越大越好，應(yīng)將其控制在合理范圍之內(nèi)。在選擇焊接電流時，為避免造成焊縫缺陷等現(xiàn)象，應(yīng)盡可能使其與焊條直徑相符，以將電流密度控制在合理范圍之內(nèi)。在電流密度過大的情況下，焊條呈發(fā)紅狀態(tài)，對正常焊接過程產(chǎn)生不利影響；在電流密度過小的情況下，電弧的穩(wěn)定性將受到不良影響。一般來說，合理的焊接電流應(yīng)為焊條直徑的4倍，但如果焊接位置處于立、仰狀態(tài)，應(yīng)適當(dāng)將電流降低20%.另外，焊接電流值還在一定程度上受焊接速度的影響——當(dāng)焊接速度過快時，可能會導(dǎo)致裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的形成；當(dāng)焊接速度過慢時，易導(dǎo)致母材受熱過大，進(jìn)而對船舶強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此，在選擇焊接速度時，應(yīng)以實際電流為基準(zhǔn)，避免出現(xiàn)過快或過慢的情況。

2 船舶制造過程中變形問題的控制工藝

2.1 反變形法

反變形法的原理為：以焊后的實際變形情況為基準(zhǔn)，預(yù)留出與其方向相反的變形，以對焊接后產(chǎn)生的變形現(xiàn)象起到相互抵消的作用。以此方法進(jìn)行變形控制時，首先，應(yīng)當(dāng)對反變形的大小進(jìn)行控制，確保其與焊接后的變形大小基本相符；其次，應(yīng)確定反變形的具體數(shù)值，將其抵消作用發(fā)揮至最大；最后，應(yīng)對可能產(chǎn)生影響的外界因素進(jìn)行綜合考量，確保反變形量的實用性，并在焊接過程中對其進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.2 散熱法

散熱法的原理為：在焊接區(qū)域周圍放置散熱物體，用以加快焊件冷卻速度，由此達(dá)到減少焊接受熱區(qū)域的目的，從而減小變形。這一方法對于降低變形程度具有重要意義，但弊端在于，對于具有較大淬火傾向的材料而言，易在冷淬作用下造成焊接裂紋的出現(xiàn)。

2.3 剛性固定法

剛性固定法的原理為：利用強(qiáng)制手段降低構(gòu)件焊后的變形程度。該方法主要通過簡單工夾具或定位焊來對構(gòu)件起到固定效果，使其在胎架或平臺上的穩(wěn)定性得以增強(qiáng)，由此避免變形問題的產(chǎn)生。該方法在低碳鋼等塑性較好的材料中較為適用，在脆性較大的中碳鋼等材料中則不宜應(yīng)用，以免造成裂縫的產(chǎn)生。另外，應(yīng)用該方法時，還應(yīng)對其拆除時機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確把握，以免造成大范圍的焊接變形。

2.4 機(jī)械矯正法

機(jī)械矯正法的原理為：將外力施加于焊縫及其周圍區(qū)域，由此實現(xiàn)控制變形和降低收縮應(yīng)力的根本目的。應(yīng)用機(jī)械矯正法時，為發(fā)揮其最大作用，應(yīng)以熱狀態(tài)的環(huán)境為宜。這是因為當(dāng)金屬處于熱狀態(tài)下時，其塑性可得到較大程度的增長，使材料保持在最佳狀態(tài)。通常情況下，應(yīng)用機(jī)械矯正法對低碳鋼構(gòu)件進(jìn)行焊縫時，應(yīng)將矯正的溫度控制在150～200 ℃之間，以促使構(gòu)件塑性保持在最佳狀態(tài)，使矯正價值達(dá)到最高。

3 結(jié)束語

綜上所述，在船舶制造過程中，采用相應(yīng)的工藝對應(yīng)力集中和變形問題進(jìn)行適當(dāng)控制，是確保船舶質(zhì)量的重要前提。在選擇工藝時，應(yīng)嚴(yán)格以船舶的實際情況為基準(zhǔn)，確保所選工藝具有可行性，以實現(xiàn)其價值的最大化。

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〔編輯：劉曉芳〕