船舶建造過程中薄板變形問題及其控制

宓震宇 朱慧

【摘 要】船舶建造過程中的薄板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，關(guān)系到船舶整體結(jié)構(gòu)的完整性和船只航行過程中的安全，薄板變形的有效控制是造船行業(yè)內(nèi)部密切關(guān)注的課題。論文闡述了產(chǎn)生薄板變形的主要原因，對生產(chǎn)過程中薄板變形的控制方案展開分析，并對各工藝階段的控制措施進行總結(jié)，旨在提升船舶建造薄板焊接水平，為技術(shù)創(chuàng)新提供工藝參數(shù)和方案參考。

【Abstract】The stability of thin plate structure in the course of ship construction is related to the integrity of the whole structure and the safety of the ship during the course of navigation. The effective control of thin plate deformation is a subject of close concern in shipbuilding industry. In this paper， the main causes of thin plate deformation are described， and the control scheme of thin plate deformation in production process is analyzed. The control measures of each process stage are summarized in order to improve the welding level of shipbuilding thin plate and to provide technological parameters and scheme reference for technological innovation.

【關(guān)鍵詞】船舶建造；薄板變形；工藝控制

【Keywords】ship construction； thin plate deformation； process control

【中圖分類號】U671 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）03-0171-02

1 引言

船舶建造過程中為減輕自重，提升結(jié)構(gòu)強度，時常會選擇工藝拘束較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定易加工成型的材料進行焊接，薄板焊接結(jié)構(gòu)由于構(gòu)造簡單，工藝性能好，在船舶建造過程中得到廣泛應(yīng)用。但受到自身特性影響，薄板的焊接過程中經(jīng)常會發(fā)生形變和收縮現(xiàn)象，航行過程中產(chǎn)生的波浪變形會進一步影響航行穩(wěn)定性，一旦發(fā)生失穩(wěn)就很難矯正，成為業(yè)內(nèi)長期存在的亟待解決的問題。在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計及維護方面，業(yè)內(nèi)普遍停留于理論研究狀態(tài)，在矯形工藝實踐方面缺乏落實，需結(jié)合實際經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)，薄板變形控制及相關(guān)矯形工藝的研究對提升船舶建造水平，提升企業(yè)效益，降低維護成本具有重要意義[1]。

2 薄板變形的主要原因分析

薄板變形集中在船舶建造堆放吊裝、下料加工、拼版、片體等階段。施工工藝的不標準也會產(chǎn)生一定程度的薄板變形，焊接工藝是最易出現(xiàn)薄板形變的工藝階段，其中材料、施工技術(shù)、建造環(huán)境等因素都可能造成薄板變形的進一步加劇，且難以得到有效控制。薄板的堆放吊裝階段應(yīng)當(dāng)控制好薄板的堆疊層數(shù)，避免因承重臺受壓超出應(yīng)力范圍導(dǎo)致的變形，在施工過程中應(yīng)做好壓強控制與計算工作，減少受力集中引發(fā)的吊裝期薄板變形。在船舶建造過程中，通常采用的激光切割技術(shù)由于技術(shù)和精度限制，相比等離子切割機的切口更為粗糙，因此前者產(chǎn)生的形變程度更高，排水量較高的大型船只和使用等離子切割技術(shù)切割的薄板在使用過程中發(fā)生變形的幾率較低，即使出現(xiàn)小幅度變形也可以通過沖壓機或外力拉伸的方法進行補救，在一定程度上控制變形；中小組和大組組立階段及拼版階段產(chǎn)生變形的主要原因是由于焊接，而誘發(fā)薄板焊接變形的主要因素較多，其本質(zhì)因素是焊接過程中產(chǎn)生的熱變形和焊件剛性條件，其中薄板形狀和尺寸、焊接的程序、胎夾具的應(yīng)用工藝都是影響焊件的剛性條件，而焊接工藝、數(shù)量、截面大小、焊接方法與材料特性都會在一定程度上產(chǎn)生熱變形，這些因素綜合起來在相互作用下對焊接結(jié)構(gòu)造成了一定影響。①焊縫的結(jié)構(gòu)位置。焊縫在船體結(jié)構(gòu)中的位置錯誤是導(dǎo)致焊縫形變的原因之一，應(yīng)保持焊縫與焊接截面中和軸的貼近，如距離較遠則會產(chǎn)生幅度較高的變形。②焊接結(jié)構(gòu)的剛性。薄板焊接的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛性決定了抗側(cè)力水平，在水體航行過程中薄板承受的水平作用力不變的前提下，剛性強度的降低會降低使用壽命，提升形變程度。③焊接裝焊順序會影響到構(gòu)建裝配的穩(wěn)定性和剛性，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)重心的偏移。④工藝方法和焊接參數(shù)。焊接方法會影響到結(jié)構(gòu)的熱變形幅度，建議采用變形度小的斷續(xù)焊；焊接參數(shù)（電流、電壓、和焊接速度）應(yīng)符合施工標準，焊接時電壓和電流的增大都將誘發(fā)變形，焊接速度的滯后會加深變形幅度，保障焊接速度是控制變形的方案之一。⑤由于焊接面的大小會影響到變形幅度，焊縫的數(shù)量應(yīng)在符合設(shè)計標準的前提下盡可能保持控制在合理范圍內(nèi)；焊接的材料要符合熱物理性能指標，其比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)都會影響到變形區(qū)間，膨脹系數(shù)也應(yīng)當(dāng)控制在質(zhì)量標準內(nèi)，降低變形幾率。⑥焊接方向，焊縫位置的變化會隨著焊接方向的不同而變動，從而改變航行應(yīng)力狀態(tài)。此外，在進行預(yù)處理時應(yīng)綜合考慮形變條件，對變形原因進行深入調(diào)研，多方面制訂合理措施控制焊接變形[2]。

3 薄板變形控制工藝

船舶建設(shè)是一項復(fù)雜的應(yīng)用工藝，焊接形變是時常發(fā)生的現(xiàn)象，不僅對船舶的造型產(chǎn)生影響，還會對排水量、結(jié)構(gòu)阻力、航行速度、船舶性能等一系列因素造成損失，為有效控制薄板變形，應(yīng)在船舶建造的不同階段加以調(diào)整，控制結(jié)構(gòu)變形，對可能產(chǎn)生的變形因素進行補救。

3.1 堆放吊裝期和下料加工期

堆放薄板平臺的承壓能力有限，控制壓強是該階段應(yīng)著重注意的問題，應(yīng)保持堆放平臺的接觸面平整和受力均勻，擴大薄板與支撐平臺的接觸面積，降低堆放層數(shù)和高度，減輕薄板重量。板材吊裝環(huán)節(jié)可使用門架支撐薄板分擔(dān)平臺受壓，使平臺承壓均勻從而降低變形幾率，避免使用鋼板夾吊裝防止中層受壓產(chǎn)生的塑形變形，運輸過程中保持裝車平穩(wěn)，盡量避免疊放和堆壓，遵循下大上小的原則，優(yōu)化配送方案，降低配送時間，疊放要整齊有序。

加工階段要保持鋼材直線度小于3mm，10mm以上材料需采用等離子切割方式保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，邊線平整光滑，無可視明顯彎曲下塌，切割面與薄板保持垂直，依據(jù)不同薄板和設(shè)計厚度制定切割標準和平整度，尺寸差限制在3mm以內(nèi)，降低薄板在加工階段的變形幾率。

3.2 拼版階段的控制方案

拼版是焊接的關(guān)鍵階段，施工現(xiàn)場的平整度關(guān)系到焊接速度和可靠性，長期保持項目運營的船舶建造廠應(yīng)至少保持每月1-2次的清理和刨平。焊接參數(shù)依據(jù)設(shè)計標準制定，盡量控制焊接時的電壓電流，提升焊接速度，保障焊接質(zhì)量。需注意焊接后產(chǎn)生的折角，如發(fā)生形變可使用沖壓法進行反約束變形，但需注意循環(huán)應(yīng)變作用下產(chǎn)生的金屬疲勞，因此焊縫冷卻后應(yīng)停止作業(yè)；在2mm以來的折角可使用氣刨重焊，檢查時使用直線木樣板進行比對，減少拼版階段的不規(guī)則變形。詳細工藝參數(shù)見表1。

3.3 組立階段變形控制

組立階段分為中小組立和片體階段及大組立階段，片體階段T型材選用角焊機進行焊接作業(yè)，焊接后按工藝標準進行水火矯直，保持直線度變差不得大于3mm，制作片體需要在水平框架平臺作業(yè)，片體焊接使用退縮焊接法，預(yù)留待焊區(qū)空間。片體球和扁鋼應(yīng)采用角焊機機型焊接，控制電壓電流在標準范圍內(nèi)，保持焊接順序的正確性，水火矯直后可上片體裝焊，為方便吊運，直線度控制在3mm內(nèi)，加排后組成一體，合攏接口不背燒?？刂谱冃蔚闹饕椒ㄊ亲杂蛇吇罱j(luò)加排法，避免通焊孔數(shù)量超標，保持焊縫位置磨平。裝配T型材和橫向扁鋼前應(yīng)當(dāng)采用角焊機進行預(yù)焊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時使用間隔跳焊。

大組立階段的胎架水平度限制在3mm以內(nèi)，使用胎架輔助支撐的方法對T型材和縱橫片體結(jié)構(gòu)進行支撐，為減少結(jié)構(gòu)變形幅度，自由邊的分段脫胎要帶入組立結(jié)構(gòu)中，基準板和胎架的連接使用小鐵板降低結(jié)構(gòu)變形幅度，控制焊接和火工矯直工藝，保持胎架平整度，焊接順序要符合質(zhì)量標準，先焊外板接縫和對接縫，再對內(nèi)角焊縫進行補工，最后對外板角焊縫進行焊接。焊接參數(shù)和順序的制定應(yīng)嚴格按照設(shè)計和行業(yè)規(guī)范施工，確保精度?；鶞拾鍖涌p的焊接過程中要對T型材交點和壁板交點進行優(yōu)化，保障其符合質(zhì)量要求，船舶甲板焊接采用對稱退縮焊法，船只完工后的舾裝件要在焊接點處于受控狀態(tài)，脫胎保持放置水平，再進行火工處理。

4 結(jié)論

產(chǎn)生薄板變形的主要原因包括焊接位置的不對稱，方向錯誤，連續(xù)焊接引發(fā)的熱變形和裝焊順序的不合理等都，做好變形控制和矯正，需要在吊放、拼版、下料加工等階段做好工藝調(diào)節(jié)和變形控制，嚴格依據(jù)工藝參數(shù)進行調(diào)整，確保焊接精度。望本文研究內(nèi)容得到相關(guān)企業(yè)及技術(shù)部門的關(guān)注，加大船舶建造工藝措施應(yīng)用實踐，為控制薄板變形工藝提供建設(shè)性意見。

【參考文獻】

【1】閆永思， 袁紅莉， 陳維威. 船舶建造過程中薄板變形問題及其控制[J]. 江蘇船舶， 2015， 32（5）：31-33.

【2】孫云. 淺談船舶薄板焊接變形問題與控制對策[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2017（4）：87-88.