芻議船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接中的常見問題與控制

蔣小虎　王桂平

[摘 要]在船舶制造中有30%-40%的工作是進(jìn)行焊接，所以船舶焊接工作的重要性不言而喻。當(dāng)前我國的焊接工作中出現(xiàn)了缺陷和不足，對船舶的使用產(chǎn)生直接影響。所以，采取具有針對性的措施有效控制問題出現(xiàn)是關(guān)鍵。文章從鋼結(jié)構(gòu)焊接的基本情況出發(fā)，分析與闡述了焊接問題所在以及相應(yīng)的控制策略。

[關(guān)鍵詞]船舶；鋼結(jié)構(gòu)；焊接；問題；控制

中圖分類號：S673 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）02-0043-01

1 船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接的概述

1.1 焊接的定義

焊接，也稱作熔接、熔接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術(shù)。依具體的焊接工藝，焊接可細(xì)分為氣焊、電阻焊、電弧焊、感應(yīng)焊接及激光焊接等其他特殊焊接。在造船廠焊接一般是指用于接合金屬的制造工藝及技術(shù)，通常使用二氧氣體保護(hù)焊與埋弧焊接的。

1.2 焊接技術(shù)在船舶制造過程的重要性

焊接質(zhì)量是衡量船舶制造質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主要原因：一，由于焊接成本和工時占到船體建造成本的30%～40%，特別是最近幾年人工成本大幅上升，焊接的工時成本上升較快，占比就更大，所以高效先進(jìn)的焊接技術(shù)能夠大大提升船舶制造效率，降低船舶建造成本；二，作為船舶整體密性和強度的重要保障，船檢在整個檢驗過程都特別關(guān)注焊接質(zhì)量，特別是焊縫返修的質(zhì)量，如果焊縫有缺陷，返修還是存在缺陷，就有可能導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)斷裂和滲漏，甚至造成船舶沉沒；三，焊接技術(shù)是提升船舶制造過程，降低成本提高效益的最有效途徑之一。

2 船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接中產(chǎn)生變形的原因和解決方法

當(dāng)前，焊接的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)這一問題已成為了影響船舶整體質(zhì)量的一個重要的因素，要解決這一問題，就要了解其鋼結(jié)構(gòu)存在的病害問題以及原因，其中焊接變形就是其最常見的問題。

2.1 焊接變形的基本形式

如果焊件的形狀尺寸產(chǎn)生了一系列變化，也就證明了構(gòu)件發(fā)生了變化。由焊接造成的變形，稱為焊接變形。當(dāng)焊后的構(gòu)件完全冷卻后，所遺留下的變形就是殘余變形。在船舶薄板焊接工作中，存在著多種多樣的變形形式。焊件在焊接過程中由于受到局部和不均勻的循環(huán)快速加熱以及冷卻發(fā)生熱壓縮塑性應(yīng)變，從而出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力而造成焊接變形。焊接過程中及焊接后，焊件都會產(chǎn)生不同程度的變形。按照焊接結(jié)構(gòu)件中焊縫收縮作用力的方向和位置，焊接變形主要分為五種形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形以及扭曲變形。收縮變形是指焊件整體縮小。焊縫的縱向和橫向收縮都屬于收縮變形。角變形是焊縫截面上下不對稱亦或是受熱不均勻，焊縫豎橫向上下收縮不對稱而導(dǎo)致的變形。角接接頭和V形坡口的對接接頭極易產(chǎn)生角變形。彎曲變形即是焊縫結(jié)構(gòu)分布不對稱，導(dǎo)致焊縫縱向收縮不一致，造成焊件向一側(cè)嚴(yán)重彎曲。所謂波浪變形，也就是焊接薄板結(jié)構(gòu)過程中，焊接的壓應(yīng)力促使薄板失去穩(wěn)定性，最終造成沒有規(guī)律的波浪變形。扭曲變形是由于焊縫的角變形沿著焊縫長度上的分布不均勻和焊件的縱向錯邊所導(dǎo)致。焊接順序和施焊方向不科學(xué)、焊縫位置不對稱，也會引起扭曲變形。

2.2 產(chǎn)生變形的原因

船舶工程的結(jié)構(gòu)件包括冷熱軋鋼板、型鋼以及成型件等構(gòu)成，所以對于焊接變形原因可以從結(jié)構(gòu)件的制造流程來看，經(jīng)過研究可以分為三方面原因：焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和外力。

首先，焊接過程中出現(xiàn)的焊接熱應(yīng)力其概念是指在構(gòu)件進(jìn)行焊接作業(yè)時，對金屬材料的加熱和冷卻過程操作不均勻而產(chǎn)生的結(jié)果。在進(jìn)行焊接工作時，焊接所用的熱源是一種高溫電弧，隨著操作的移動而移動，在這個過程中金屬材料被作業(yè)區(qū)域的溫度極高，金屬材料會發(fā)生熱脹的現(xiàn)象，但是因為金屬材料自身的未作業(yè)區(qū)域金屬對于這種熱脹作用具有抵制作用，所以在兩區(qū)域接觸的地方便會出現(xiàn)壓縮形變。構(gòu)件的形變程度與作業(yè)區(qū)域的電弧溫度具有正比例關(guān)系。

其次，對于殘余應(yīng)力的解釋可以從焊接以及成型加工兩方面來說，在進(jìn)行這兩項工作時，都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在進(jìn)行某一構(gòu)件的焊接工作時，焊接結(jié)束后，焊縫金屬由熱脹開始冷縮，但是又會被其他未進(jìn)行焊接作業(yè)的常溫金屬所抑制，這時候在兩接觸區(qū)域便會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。相對的成型加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力則主要是由于外力作用而產(chǎn)生的，再進(jìn)行成型加工時，需要依靠外力作用才能完成加工作業(yè)，在此期間外力不僅僅是對加工產(chǎn)生有益作用，還會對構(gòu)件本身產(chǎn)生一些不必要的外力作用，使已經(jīng)焊接完成的構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

最后就是外力作用，外力作用可以從字面意義上來理解，是指在進(jìn)行焊接以及裝配期間由于碰撞、摔打等導(dǎo)致的異常形變。

3 焊接變形的控制措施

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足船舶的強度、硬度以及使用性能，還要對船舶進(jìn)行裝配焊接時所需的減少焊接變形進(jìn)行周密的設(shè)計。根據(jù)船舶的特點進(jìn)行設(shè)計，減少人工以及焊接的工作量和工作難度，降低成本，這是船舶設(shè)計時所必須要進(jìn)行具體規(guī)劃的。具體的可以分為：分段建造、焊接時對稱焊縫、減少焊縫截面積和焊縫數(shù)量、裝配焊接時采用簡單裝配焊接胎卡具。

3.2 優(yōu)化建造工藝

施工方面，應(yīng)大量采用自動埋弧焊和以及其他的保護(hù)焊工藝；選擇合理的焊接參數(shù)和裝配工序；無裝配應(yīng)力進(jìn)行船體的整體裝配。

焊接工藝方面，采用合理的工藝，選取熱輸入較小的焊接方法，采用科學(xué)合理的焊接參數(shù)和合適的施焊順序與施焊方式，能夠有效降低船舶焊接的變形程度。例如，選用CO2氣體保護(hù)焊替代焊條電弧焊，能夠顯著降低薄板的變形程度；選用真空電子束焊亦或是激光焊，焊縫可以大幅度減小，從而降低薄板焊接的變形程度。此外，船舶焊接變形后要采取有效的方式給予矯正，實質(zhì)是用新的變形抵消原來的變形，確保船舶的各項尺寸滿足設(shè)計要求。

進(jìn)行具體的焊接作業(yè)時可以采用剛性固定法和反變形法，對于將要進(jìn)行焊接的構(gòu)件預(yù)先留出收縮余量。剛性固定法的含義是將需要焊接的構(gòu)件在剛性的平臺或胎架上進(jìn)行固定，然后等到所有的焊接工作結(jié)束后待冷卻之后將其從平臺上解放，能夠有效避免焊接變形的程度。在進(jìn)行具體的剛性固定法選擇是需要根據(jù)具體的焊接構(gòu)建以及焊接方法進(jìn)行選擇，所以就產(chǎn)生了許多的剛性固定法，例如臨時加筋板、臨時點焊加強角鐵、分段四周定位焊等多種方法，這些方法對于船體的焊接工作提供了極為便利條件。反變形法從名字上就可以看出其工作原理是什么，其可以理解為根據(jù)焊接時產(chǎn)生的形變狀況預(yù)先對其進(jìn)行反向設(shè)置，其大小可以正好抵消在進(jìn)行焊接室內(nèi)產(chǎn)生的形變程度，將形變程度減小到最少。預(yù)留收縮量則是在進(jìn)行焊接工作之前對構(gòu)件的焊接部位預(yù)留出一部分空間，已滿足焊接后構(gòu)件進(jìn)行形變所需的空間區(qū)域，將可能發(fā)生的形變程度降到最低。

3.3 創(chuàng)新先進(jìn)焊接技術(shù)

船舶焊接工作關(guān)乎著船舶的整體質(zhì)量，這也將直接影響著我國民用船舶的質(zhì)量和軍用艦艇的建設(shè)，所以應(yīng)不斷創(chuàng)新焊接技術(shù)和船舶制造技術(shù)，只有這樣才能保證船舶制造業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前船舶的焊接技術(shù)正在朝著自動，高效，綠色，數(shù)字的發(fā)展方向不斷地邁進(jìn)。在焊接技術(shù)發(fā)達(dá)的日本，焊接機器人已經(jīng)進(jìn)行作業(yè)并且焊接工作的內(nèi)容也是從零部件的焊接工作逐漸向平面分段焊接，外場焊接等方向發(fā)展，既降低了不必要的人力物力投入，又提高了焊接精準(zhǔn)度，其他生產(chǎn)強國也對焊接技術(shù)不斷研究，我們應(yīng)吸取這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗，從而使先進(jìn)焊接技術(shù)效力于船舶建造，為船舶焊接實現(xiàn)綠色化發(fā)展提供重要的保障。

結(jié)語

焊接工作的質(zhì)量和效果對于船舶制造和修理十分關(guān)鍵，但在該道工序操作過程中，仍然會因為各類因素存在一定的焊接問題，嚴(yán)重影響了船舶的整體質(zhì)量。所以，焊接實踐中，焊接人員必須充分認(rèn)識到問題及其原因所在，并在此基礎(chǔ)上掌握相應(yīng)的控制措施，以此來更好的提高船舶的整體質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐錫鵬.船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接中常見病害成因分析及控制措施探討[J].科技風(fēng)，2015，18：41.