船舶建造過(guò)程中的焊接變形控制

陳紹兵++胡正瑞

[摘 要]隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，在船舶設(shè)計(jì)方面的關(guān)注度也逐漸提高，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的焊接變形情況也相當(dāng)關(guān)注，并不斷提高對(duì)船舶建造質(zhì)量要求。基于此，本文先后介紹了焊接工藝特點(diǎn)，流程，材料，問(wèn)題和解決措施等，來(lái)概述船舶設(shè)計(jì)的焊接變形。

[關(guān)鍵詞]船舶設(shè)計(jì)；焊接變形；工藝流程；特點(diǎn)；材料；問(wèn)題；措施

中圖分類號(hào)：V563 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）11-0038-01

1 船舶焊接工藝數(shù)據(jù)特點(diǎn)

對(duì)于焊接工藝而言，指的是焊接流程和焊接技術(shù)等要求，包括焊前預(yù)熱、焊接方法、焊接材料、焊接設(shè)備、工藝參數(shù)以及焊后熱處理等，焊接工藝制作之所以復(fù)雜，是因?yàn)榄h(huán)境和人為不確定等因素造成的，船舶焊接工藝有其特殊性，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：船舶材料種類繁多；船舶焊接結(jié)構(gòu)件形狀多；船舶焊接有其的特殊性，需要進(jìn)行組裝定位、焊前和焊后處理，這些都關(guān)系到船舶焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 船舶焊接工藝設(shè)計(jì)流程

首先，船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)部件的焊縫信息，焊材，母材類型，厚度，坡口，焊角高，焊接形式，焊接姿態(tài)等，船廠的新進(jìn)材料以及新的焊接工藝，進(jìn)行工藝評(píng)定判斷。如果不需進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)此焊縫的焊接工藝要求的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，編制WPS焊接工藝指導(dǎo)書，從而可以編制船舶現(xiàn)場(chǎng)的焊接工藝流程，有助于船廠現(xiàn)場(chǎng)的焊接操作。如果需進(jìn)行評(píng)定，船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)部需提供焊接試驗(yàn)申請(qǐng)單給焊接工藝部。焊接工藝部收到焊接試驗(yàn)申請(qǐng)單后，編寫相關(guān)的焊接試驗(yàn)計(jì)劃書，安排試驗(yàn)樣品，并將計(jì)劃書和樣品清單下發(fā)到船廠的焊接現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)的焊工根據(jù)焊接計(jì)劃書和樣品清單進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)要反饋給焊接工藝部。數(shù)據(jù)合格，則可得到焊接工藝部的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)車間就可以按照焊接工藝指導(dǎo)書中的焊接流程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的焊接操作。如果試驗(yàn)不合格，則需要重新編寫計(jì)劃書重新進(jìn)行焊接試驗(yàn)，直到焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。

3 船用焊接材料

船舶建造的過(guò)程中主要運(yùn)用低碳鋼，高強(qiáng)度鋼，有時(shí)也會(huì)涉及到鋁合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼和低合金鋼。目前我國(guó)的船用焊接材料主要使用國(guó)產(chǎn)品牌焊材，例如：雙絲MAG焊的焊絲，埋弧焊焊絲和焊劑，氣電垂直自動(dòng)焊的藥芯焊絲等等。只有較高的韌性和合適屈強(qiáng)比的船舶焊接材料才能保證船舶的安全性。

3.1 焊條

船舶建造過(guò)程中采用的焊條主要有普通手工焊條、高效鐵粉焊條以及重力焊條，一般強(qiáng)度和高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)采用的是普通手工焊條，基本上屬于低氫堿性焊條，例如：E4315、E5015。船舶建造過(guò)程中部件較短的角焊縫焊接時(shí)大多采用的是高效鐵粉焊條，為了提高船舶焊接的效率可以通過(guò)添加鐵粉在焊條藥皮中，從而達(dá)到提高焊接的熔敷效率的目的。在平角和角焊縫較短且集中船舶焊接位置使用重力焊條。

3.2 焊絲

焊絲主要分為實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲，CO2氣體保護(hù)焊用的藥芯焊絲占到我國(guó)大型船廠焊絲的五分之四，按照生產(chǎn)用途，可以將CO2氣體保護(hù)焊用的藥芯焊絲分為以下幾類：普通藥芯焊絲（大多為碳鋼有縫鈦型焊絲）、垂直氣電焊焊絲、金屬粉芯藥芯焊絲還有一些焊絲專門針對(duì)某些特殊焊接方式。

3.3 埋弧焊材

制作埋弧焊材的焊絲的工藝是比較簡(jiǎn)單的，焊劑對(duì)埋弧焊的質(zhì)量和其焊接性能影響程度較大。船廠使用的主要焊接方法中就包含埋弧焊，在平直對(duì)接和較長(zhǎng)的焊縫焊接中常用，目前我國(guó)船用埋弧焊的焊劑主要為熔煉和燒結(jié)型這兩種，因?yàn)闊Y(jié)型焊劑具有以下特點(diǎn)：無(wú)煙、無(wú)毒、無(wú)味、比重輕，與熔煉型焊劑比較其大大節(jié)約成本，所以目前燒結(jié)型逐漸代替熔煉型焊劑。

4 船舶在設(shè)計(jì)過(guò)程中焊接變形的原因

4.1 由外力引起的焊接變形

外力引起的焊接變形是指在船舶組裝、焊接過(guò)程中由于過(guò)載、撞、碰、摔、磕等引起的異常變形。外力引起的變形是常常發(fā)生的焊接變形，而且這種變形可以進(jìn)行控制，即在焊接過(guò)程中應(yīng)小心保護(hù)便可避免。

4.2 殘余應(yīng)力變形

焊接應(yīng)力是焊接構(gòu)件在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，主要是焊接過(guò)程中相關(guān)部位或構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接加熱過(guò)程引起相關(guān)部位或構(gòu)件形狀、尺寸的變化。產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因是焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)不均勻及由其引起的局部塑性變形。當(dāng)焊接溫度場(chǎng)消失后其變形與應(yīng)力便稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在船舶建造過(guò)程中，主要是由于殘余焊接應(yīng)力影響相關(guān)構(gòu)件導(dǎo)致出現(xiàn)板材變形，例如，鋼板校平碾壓次數(shù)不足而致使焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起的變形。

4.3 焊接熱力變形

焊接熱力變形是船舶在建造過(guò)程焊接變形中較難以控制的變形。焊接熱力變形是由于船舶建造時(shí)所用的金屬材料在焊接過(guò)程中因冷熱不均而形成的。金屬材料焊接時(shí)采用移動(dòng)的高溫電弧作為加熱熱源，而金屬溫度最高的部位是熱影響區(qū)與焊縫，這些部分金屬受熱膨脹，但其它部分金屬僅受常溫影響，因此兩種熱度不均的情況下形成了壓縮塑性變形，同時(shí)焊接構(gòu)件變形的程度與焊接時(shí)焊接熱輸入量成正比關(guān)系，因此，焊接時(shí)熱輸入量越大金屬材料變形越明顯。

5 控制船舶在設(shè)計(jì)過(guò)程中焊接變形的對(duì)策

5.1 合理的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造工藝

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足船舶使用性能與強(qiáng)度，還應(yīng)滿足船舶建造過(guò)程中使用的焊接材料最少、勞動(dòng)工時(shí)最低、焊接變形最小等要求。同時(shí)還應(yīng)根據(jù)焊接特點(diǎn)設(shè)計(jì)船舶以減少焊接變形。具體要求如下：

確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，將焊縫截面積尺寸縮小，以達(dá)到減少收縮變形的目的；裝配過(guò)程中應(yīng)使用簡(jiǎn)單方便的裝配焊接臺(tái)架；船體分段劃分過(guò)程中要充分考慮散裝件的數(shù)量和大小，盡可能減少船臺(tái)焊接工作量，以便控制好船體局部焊接變形；盡量將焊縫數(shù)量減到最少，焊縫應(yīng)靠近結(jié)構(gòu)中心線，或者應(yīng)以對(duì)稱性為主，這樣可以有效地避免出現(xiàn)彎曲變形。

5.2 保證焊接參數(shù)準(zhǔn)確

保證焊接參數(shù)的準(zhǔn)確性可以確保焊接質(zhì)量，焊接參數(shù)一般包括焊接電流量、焊接速度、焊接電壓量等數(shù)值，因此應(yīng)控制好相關(guān)焊接參數(shù)。如在焊接電流量參數(shù)控制方面，根據(jù)焊接WPS要求設(shè)置好電流量參數(shù)，要充分考慮焊接部件厚度、焊接接頭、焊接層次、焊條大小、焊接位置等等因素，同時(shí)又應(yīng)著重對(duì)焊接位置、焊條大小及焊接層次的參數(shù)控制，因?yàn)檫@三種參數(shù)對(duì)焊接變形具有直接影響作用，因此，只有將焊接參數(shù)控制在一定的規(guī)格范圍內(nèi)，才能有效地降低焊接變形的范圍。另外焊接施工人員對(duì)焊接速度的控制也很重要，既不能過(guò)慢也不能過(guò)快，若焊接速度過(guò)慢則將會(huì)擴(kuò)大焊接受熱區(qū)域，而致使此區(qū)域內(nèi)的變形量增大；若焊接速度過(guò)快，則會(huì)導(dǎo)致焊接縫焊接與熔合不完全或焊接縫成型差等現(xiàn)象問(wèn)題，影響船舶質(zhì)量。

5.3 散熱法與回火法

可以通過(guò)在焊接部位周圍放置散熱物體進(jìn)而迅速冷卻焊接部件以達(dá)到減小熱影響區(qū)域的效果，熱影響區(qū)減小同時(shí)也縮小船體變形的范圍，這便是散熱法，亦稱為強(qiáng)迫冷卻法，使用該方法時(shí)應(yīng)注意避免淬火傾向大的情況，以防止因冷淬而出現(xiàn)裂紋?；鼗鸱ㄊ侵笇⒑附雍玫牟考w放置爐內(nèi)以小于或等于20至60℃的升溫速度進(jìn)行加熱，隨后進(jìn)行一定時(shí)間的保溫，出爐時(shí)空制其溫度，使溫度同時(shí)降至50至60℃，這種方法有效地防止焊接變形或開(kāi)裂。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了降低船舶建造過(guò)程中焊接變形，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期充分考慮焊接變形產(chǎn)生的因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造工藝；船舶建造過(guò)程中使用正確的焊接工藝，以及焊接后使用適當(dāng)?shù)纳峁に嚧胧?，減少船舶建造過(guò)程中產(chǎn)生焊接變形，從而提高船舶的質(zhì)量與美觀。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮志強(qiáng).船舶焊接智能系統(tǒng)知識(shí)建模與推理方法研究[D].上海交通大學(xué)，2012.

[2] 張群.大型船體結(jié)構(gòu)焊接變形的數(shù)值仿真[D].江蘇科技大學(xué)，2012.