船舶建造焊接收縮量統(tǒng)計(jì)方法

王 星，姜 雷，陳 龍

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

船舶建造焊接收縮量統(tǒng)計(jì)方法

王 星，姜 雷，陳 龍

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

焊接作為一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程，焊后往往存在焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。焊接收縮是最常見(jiàn)的焊接變形?，F(xiàn)代造船業(yè)倡導(dǎo)的是精度造船，通過(guò)加放焊接收縮補(bǔ)償量達(dá)到無(wú)余量建造、無(wú)余量搭載的目的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，后期總結(jié)分析，得到行之有效的統(tǒng)計(jì)方法，建立健全船舶企業(yè)焊接收縮數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化補(bǔ)償量體系改進(jìn)生產(chǎn)工藝，達(dá)到精度造船的目的。

焊接變形；焊接收縮量；精度控制

0 引言

精度造船在我國(guó)的研究推行已經(jīng)有了四十多年的歷史，經(jīng)歷了一個(gè)曲折坎坷的發(fā)展過(guò)程。目前精度造船主要應(yīng)用于船體建造階段，用補(bǔ)償量來(lái)代替余量，達(dá)到無(wú)余量建造、無(wú)余量搭載的目的。因此，補(bǔ)償量的確定是船體精度控制中的核心內(nèi)容，補(bǔ)償量的加放恰當(dāng)與否，將直接關(guān)系到船體精度控制的成敗。而在補(bǔ)償量體系的構(gòu)成中，對(duì)于焊接收縮變形的補(bǔ)償是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

在焊接過(guò)程中，由于焊接接頭區(qū)域受不均勻的局部加熱和冷卻，其膨脹和收縮又受到周?chē)蜏亟饘俚臓恐贫荒茏杂蛇M(jìn)行，這就是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因，其次是由于焊縫金屬收縮、金屬組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對(duì)焊接應(yīng)力與變形的大小、方向、分布等也都有一定影響[2]。焊接作為一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程，焊后焊件必然存在焊接應(yīng)力和焊接變形。

焊接變形的種類(lèi)很多，大致分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯(cuò)邊變形、螺旋型變形等七類(lèi)，其中最常見(jiàn)的是焊接收縮變形?？v向收縮變形（圖 1）就是指沿焊縫長(zhǎng)度方向的縮短。收縮量隨焊縫長(zhǎng)度、母材線脹系數(shù)、熔敷金屬截面積、焊接熱輸入的增加而增加，反之亦然。此外，多層焊的收縮量小于單層焊，多層焊的首層收縮量最大，而后逐層減??；連續(xù)焊收縮量大于斷續(xù)焊；無(wú)拘束焊縫的收縮量大于有拘束焊縫的。橫向收縮變形（圖 1）就是指垂直焊縫方向的收縮。收縮量與焊件壁厚、坡口形式、焊縫截面積、焊接熱輸入、焊接工藝、結(jié)構(gòu)拘束度等多種因素相關(guān)。隨焊件壁厚、焊接熱輸入的增加而增加，隨焊縫截面積的減小而減小。結(jié)構(gòu)拘束度的影響則恰恰相反。坡口形式和焊接工藝（含焊接方法、層次、焊接參數(shù)、預(yù)熱和隨從加熱等）則從屬于壁厚和焊接熱輸入。從焊接方法看，收縮量由電渣焊、氣焊、埋弧焊、MIG/MAG焊、焊條電弧焊、TIG焊、等離子弧焊、電子束焊和激光焊依次減少。從接頭形式看，對(duì)接縫的收縮量大于角焊縫；連續(xù)焊收縮量大于斷續(xù)焊；坡口角越大收縮量也越大；多層焊的首層收編童最大；同一條焊縫中最后焊段的收縮量最大[3]。

各船舶企業(yè)在硬件設(shè)施、焊接工藝、建造流程、技工素質(zhì)等諸多方面均存在差異，因此船體實(shí)際建造過(guò)程中產(chǎn)生的焊接收縮變形無(wú)法完全借鑒，需要根據(jù)自身情況統(tǒng)計(jì)分析。

1 統(tǒng)計(jì)方法簡(jiǎn)介

本法應(yīng)用于分段建造階段。

焊縫的縱向收縮影響分段端口的平齊度，但對(duì)分段主尺度影響較小，因此可以忽略不計(jì)。分段建造過(guò)程中縱橫構(gòu)件與板材的角焊縫數(shù)量多，焊接量占單個(gè)分段總焊接量的70%～90%，且由于角焊縫的縱向收縮極小，因此本法統(tǒng)計(jì)對(duì)象為角焊縫（包含填角焊縫與帶坡口角焊縫）的橫向收縮。

為便于測(cè)量，本法主要統(tǒng)計(jì)平直分段，如散貨船雙層底、舷側(cè)等分段。

為減小誤差，測(cè)量使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的鋼卷尺，兩端加放拉力計(jì)，焊接前后施加相同的拉力。焊前測(cè)量在分段第一工作面上胎架后、構(gòu)件裝配前；焊后測(cè)量在第一工作面上方構(gòu)件均焊接完畢后。測(cè)量示意圖如圖2所示，具體要求如下：

1）測(cè)量點(diǎn)位于板材兩側(cè)，應(yīng)在同一橫截面上，兩點(diǎn)間應(yīng)包含該方向所有構(gòu)件；

2）確定測(cè)量點(diǎn)后應(yīng)用樣沖標(biāo)記；

3）因構(gòu)件裝配焊接后無(wú)法再使用鋼卷尺測(cè)量，因此應(yīng)將測(cè)量點(diǎn)在板材背面相同位置標(biāo)記出來(lái)；

4）如第一工作面背面也存在構(gòu)件，則焊后測(cè)量應(yīng)在分段脫胎前，從胎架下方借助磁鐵吸附測(cè)量；如第一工作面背面無(wú)構(gòu)件，則焊后測(cè)量可在分段脫胎翻身后進(jìn)行。

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊腳區(qū)分為3類(lèi)：骨材焊腳（如球扁鋼、扁鐵等）、板材焊腳（如肋板、縱桁等）以及開(kāi)坡口角焊縫（深熔焊、全焊透焊縫），分別統(tǒng)計(jì)實(shí)際焊腳大小。

測(cè)量時(shí)需記錄以下信息：分段名、水平板板厚、焊腳類(lèi)型與數(shù)量、測(cè)量值。

2 分析方法簡(jiǎn)介

測(cè)量點(diǎn)間存在多種類(lèi)型構(gòu)件，包含填角焊縫與開(kāi)坡口角焊縫（等同于對(duì)接焊縫），因而使用橫向收縮量估算公式[4]：B=1.2·0.18·FH/δ。式中，B為橫向收縮量估算值；FH為焊縫橫截面積；δ為水平板板厚；1.2為雙面焊系數(shù)。

根據(jù)上述公式對(duì)所測(cè)分段進(jìn)行估算，得到單個(gè)構(gòu)件焊接產(chǎn)生的橫向焊接收縮量在整體收縮量中的占比。

單個(gè)構(gòu)件橫向收縮量的占比與實(shí)際測(cè)量收縮量的乘積即為該構(gòu)件焊接產(chǎn)生的實(shí)際橫向收縮量。

經(jīng)過(guò)多次的測(cè)量與數(shù)據(jù)積累，所有分類(lèi)數(shù)據(jù)的平均值即為該船舶企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)焊接產(chǎn)生的橫向焊接收縮量，數(shù)據(jù)量越大統(tǒng)計(jì)結(jié)果越準(zhǔn)確。

3 實(shí)踐驗(yàn)證

在某系列散貨船6#、7#、10#船共計(jì)41個(gè)雙層底分段上應(yīng)用以上收縮量統(tǒng)計(jì)方法，水平板為內(nèi)底板，板厚20 mm。

焊腳類(lèi)型即實(shí)際焊腳尺寸見(jiàn)表 1，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊腳尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將骨材焊腳定為7 mm、板材焊腳定為9.5 mm、開(kāi)坡口角焊縫（TKY joint）[5]定為12 mm。

表1 焊腳尺寸統(tǒng)計(jì)表

實(shí)際橫向焊接收縮見(jiàn)表2～表4。

表2 6#船橫向收縮量統(tǒng)計(jì)表

表3 7#船橫向收縮量統(tǒng)計(jì)表

表4 10#船橫向收縮量統(tǒng)計(jì)表

表4 10#船橫向收縮量統(tǒng)計(jì)表（續(xù)）

橫向收縮量經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)值比對(duì)

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)角焊縫焊腳可分為三種類(lèi)型：骨材焊腳 7 mm、板材焊腳9.5 mm、開(kāi)坡口角焊縫焊腳12 mm。

水平板板厚20 mm時(shí)，7 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.2 mm；9.5 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.48 mm；12 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.6 mm。

根據(jù)實(shí)測(cè)值與估算值的對(duì)比，本方法是科學(xué)有效的。且由本方法測(cè)量計(jì)算的結(jié)果更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，便于設(shè)計(jì)部門(mén)在后續(xù)船舶建造過(guò)程中快速計(jì)算焊接收縮補(bǔ)充量，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的目的。

[1]姜福海.精度管理在船舶建造中的應(yīng)用[J].江蘇船舶,2014.3： 27-29.

[2]曾平.船舶材料與焊接[M].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006.

[3]張彥華.焊接結(jié)構(gòu)原理[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第2卷)材料的焊接[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[5]GL.Rules for Classification and Construction[S].2000.

Statistical Method of Welding Shrinkage for Shipbuilding

WANG Xing, JIANG Lei, CHEN Long
(Taizhou Kouan Shipbuilding Co., Ltd., Jiangsu Taizhou 225321, China)

Welding as an uneven heating process, welding residual stress and welding deformation are often exist.Welding shrinkage is the most common welding deformation.The modern shipbuilding industry advocates precision shipbuilding, by adding welding shrinkage compensation to achieve the purpose of no margin construction and no margin capacity.Through the measurement of the actual data of the field and the post-summary analysis, the effective statistical methods are gained.It should establish and improve the ship enterprises welding shrinkage database, and then through the optimization of the compensation system to improve the production process, therefore achieve the purpose of precision shipbuilding.

welding deformation; welding shrinkage; precision control

U671.8

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.014

王星（1988—），男，助理工程師，研究方向：船舶焊接工藝。