船體焊接變形的有效控制方法探析

張磊

（黑龍江省航道局）

摘 要：在船體建造過程中，焊接技術(shù)是一種比較常用的方式，但是，一旦該項技術(shù)應(yīng)用不到位，會導(dǎo)致船體出現(xiàn)焊接變形，嚴(yán)重影響船體建造質(zhì)量。本文就船體焊接變形的原因進(jìn)行綜合分析，并提出科學(xué)化的控制策略，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：船體建造；焊接變形；原因；控制策略

就船體建造的實際情況來看，焊接技術(shù)是影響船體建造質(zhì)量的一項重要因素，一旦焊接接頭部位出現(xiàn)變形，不僅阻礙接頭實際功能的有效發(fā)揮，并且給船體建造整體美觀性和柔韌性產(chǎn)生一定影響。因此在船體建造過程中應(yīng)當(dāng)積極采取有效措施對焊接變形進(jìn)行科學(xué)化控制，為船體建造質(zhì)量提供可靠的保障。

一、船體焊接變形原因的分析

建造船體時的主要構(gòu)成部件有熱軋鋼板、冷軋鋼板和型鋼等等，要將這些部件通過焊接連接到一起，形成一個整體。從制造工藝方面來分析，焊接變形產(chǎn)生的主要原因有以下幾點：熱應(yīng)力、外力以及殘余應(yīng)力。

熱應(yīng)力變形是在進(jìn)行焊接時，金屬材料受熱的不均衡或者冷卻所致的變形情況。在焊接時，使用高溫電弧作為加熱源進(jìn)行加熱，熱影響區(qū)域和焊縫處的金屬表面溫度十分高，金屬發(fā)生膨脹，其附近區(qū)域的金屬還處于常溫狀態(tài)，阻礙了受熱區(qū)域金屬的膨脹，從而導(dǎo)致了變形的出現(xiàn)。

外力產(chǎn)生的變形一般是由于焊接時的碰撞或者超載所造成的。

殘余應(yīng)力最主要的是焊接時的殘余應(yīng)力。在完成對某個區(qū)域的焊接工作后，焊縫處開始進(jìn)行收縮，而附近的金屬處于常溫狀態(tài)，對其收縮產(chǎn)生了影響，從而導(dǎo)致了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

二、船體焊接變形的相關(guān)因素

1.焊接工藝參數(shù)和焊接方法

焊接方法的不同導(dǎo)致焊接時的收縮量產(chǎn)生差異。在焊件的厚度沒有差別的情況下，在縱向收縮方面，多層焊要比單層焊小，造成這種結(jié)果的原因是，在進(jìn)行多層焊時，先進(jìn)行焊接的地方在冷卻之后有效的阻止了后焊接區(qū)域的收縮。直接退焊的收縮程度要大于分布退焊，在進(jìn)行分步退焊時，焊接區(qū)域的受熱較為均衡，從而沒有集中的形成壓縮塑性變形。焊接工藝參數(shù)對焊接變形產(chǎn)生影響主要是由于線能量的緣故。在通常情況下，線能量越大其壓縮塑性變形就越大，使得部件的收縮程度也較大。

2.焊縫的截面面積及其長度

通常來講，焊縫的長度越大其在縱向的收縮程度也就越大，焊縫的寬度越大，其在橫向的收縮程度也越大。同時，其橫向收縮程度還受鋼板的厚度以及坡口和接頭的形式的影響。在進(jìn)行手弧焊的過程中，鋼板的厚度越大其收縮程度就越大，對于厚度相同的鋼板，相比于V形的坡口，X形的坡口收縮程度較小，相比于對接焊縫，比角焊縫的橫向收縮程度較小。

3.焊縫所處的位置

焊縫位置的不同對焊接變形程度造成著較大的影響。在一般情況下，若焊縫的位置與構(gòu)件的重心線相對稱，則焊接時的形變較為單一，基本上只存在橫向和縱向的收縮，反之，若二者不對稱，將會產(chǎn)生較為復(fù)雜的彎曲形變，這是由于當(dāng)二者的距離較遠(yuǎn)時，產(chǎn)生的收縮力與部件中心軸之間的力矩變大，從而導(dǎo)致較大幅度的彎曲形變。這就要求我們要盡可能的將焊縫置于中心軸附近，避免彎曲形變的產(chǎn)生。

4.焊接裝配步驟

焊接裝配步驟的不同會導(dǎo)致部件重心發(fā)生位移，其剛性發(fā)生變化，從而較大程度的影響焊接變形。所以對整個結(jié)構(gòu)來說有兩種焊接裝配的方式，分別是在裝配的過程中焊接，裝備完畢后進(jìn)行焊接。如果其結(jié)構(gòu)較為簡單，我們通常在裝配完畢后再進(jìn)行焊接，對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使用在裝配的過程中進(jìn)行焊接。

三、如何對船體焊接變形進(jìn)行有效控制

在船體建造過程中，為了對焊接變形進(jìn)行科學(xué)化控制，應(yīng)當(dāng)在準(zhǔn)確把握焊接變形影響因素的基礎(chǔ)上，找準(zhǔn)焊接變形控制的切入點，從而優(yōu)化控制措施，加強船體焊接質(zhì)量控制。通過研究可知，船體焊接過程中，塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變是導(dǎo)致焊接變形的重要因素，并且實際控制難度較大。為確保在船體建造過程中能夠?qū)⒑附幼冃慰刂圃谧畹退?，在船體焊接過程中應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等角度入手，采取有效措施來對船體焊接變形進(jìn)行科學(xué)化控制。

1.優(yōu)化船體設(shè)計

為降低船體焊接變形發(fā)生幾率，應(yīng)當(dāng)結(jié)合船體建造的具體情況，優(yōu)化船體設(shè)計，保證船體各部分強度滿足相關(guān)船體建造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，對焊縫長度進(jìn)行合理控制，并結(jié)合船體焊接的是需求，對焊接坡口類型進(jìn)行優(yōu)化選取，確保焊縫與部件中心軸保持良好的對稱狀態(tài)，進(jìn)而在沖壓件的作用下縮短焊縫，從而為船體焊接質(zhì)量控制創(chuàng)造有利條件。

2.規(guī)范施工工藝

第一，合理選擇裝配焊接程序。為加強船體焊接變形控制，在實際焊接施工過程中應(yīng)當(dāng)合理選擇裝配焊接程序，這就要求施工技術(shù)人員在準(zhǔn)確把握船體焊接施工實際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)預(yù)留伸縮量。尤其是要結(jié)合船體結(jié)構(gòu)大小情況對焊接施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證焊接均勻性。以工字梁為例，為避免出現(xiàn)焊接裂縫，應(yīng)當(dāng)控制好伸縮量確保其能夠?qū)崿F(xiàn)自由收縮，從而保證焊接施工質(zhì)量。一般情況下，焊接施工中以一次性焊接的方式開展不對角焊接，并留出一部分縫隙，為焊接質(zhì)量控制打下良好的基礎(chǔ)。

第二，對收縮量大的部位進(jìn)行優(yōu)先焊接。以存在筋板的工字梁為例，在實際焊接施工操作中，技術(shù)人員往往優(yōu)先焊接筋板的角焊縫，隨后焊接腹板和面板等部位，最大程度上避免角焊縫區(qū)域出現(xiàn)橫向收縮裂縫而影響焊接質(zhì)量。

第三，合理使用對稱焊接。在船體焊接施工中，通常情況下技術(shù)人員以對稱焊接的方式對對稱狀態(tài)且具有一定剛性的截面進(jìn)行焊接，確保將彎曲形變控制在合理范圍內(nèi)，從而對焊接變形進(jìn)行有效控制，保證焊接質(zhì)量。待焊縫形成對稱結(jié)構(gòu)后，安排兩名焊接人員開展對稱焊接施工。

第四，為加強船體焊接施工質(zhì)量控制，降低焊接變形發(fā)生幾率，應(yīng)當(dāng)結(jié)合焊縫實際情況采取適當(dāng)?shù)暮附臃椒?。若實際焊縫長度超出一米，則應(yīng)當(dāng)采用交替焊接法或分段退焊法。若實際焊縫長度處于半米到一米之間，則應(yīng)當(dāng)采用分中對稱焊法，從而保證焊接施工質(zhì)量。

除此之外，焊接施工中還可以通過以下幾種方式對焊接變形進(jìn)行有效控制：（1）反變形法。反變形法是指對變形狀況進(jìn)行提前的預(yù)判，在焊接前，留有一個等量的反方向的形變，這樣就會在焊接結(jié)束后不會出現(xiàn)變形的情況，實現(xiàn)接口的完美融合。（2）剛性固定法。部件的剛性越大，焊接后發(fā)生的變形越小。這種方法是對產(chǎn)生的形變進(jìn)行限制，適用于波浪變形和對角變形的情況。（3）預(yù)熱法。導(dǎo)致焊接變形的原因是受熱的不均衡，因此，對部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，能夠有效的避免焊接變形的產(chǎn)生。在進(jìn)行預(yù)熱溫度的選取時，主要依據(jù)部件的材料和厚度。

四、結(jié)束語

總而言之，船體焊接變形是影響船體建造質(zhì)量的重要因素，一旦焊接操作不到位，會影響船體接頭的實際功能的有效發(fā)揮，并且會影響船體的強度和韌性。為進(jìn)一步將船體焊接變形控制在最小范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)從優(yōu)化船體設(shè)計和規(guī)范施工工藝兩方面入手，減少焊接變形的發(fā)生，切實保證焊接質(zhì)量滿足船體建造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究尚存在不足之處，未來將進(jìn)一步開展深入研究，以確保對船體焊接變形進(jìn)行科學(xué)有效的控制。

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