某船3 mm鋁合金甲板焊接變形控制工藝

陳軍 李華平 肖圣亮 霍利武 堯孝君

摘? ? 要：鋁合金材料導熱快、熔點低、焊接變形大，特別是薄板焊接變形更是難于控制。某船舷側區(qū)域的甲板為3mm的薄板，在首制船制作中，按常規(guī)的工藝方法焊接變形大，火工矯正后仍產(chǎn)生明顯的下凹變形。在后續(xù)船建造中，通過梳理整個工藝流程，分別從拼板、裝配方法、增加加強、調整舾裝件安裝時機、局部仰焊變形控制、火工矯正方法等工藝措施進行了優(yōu)化，取得較好的效果。

關鍵詞：鋁合金；3mm甲板；薄板；變形控制；工藝優(yōu)化

中圖分類號：U672? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

3 mm Aluminum Alloy Deck Welding Deformation

Control Process of a Ship

CHEN Jun，? LI Huaping，? XIAO Shengliang，? HUO Liwu，? YAO Xiaojun

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： Aluminum alloy materials have fast thermal conductivity， low melting point， welding thermal deformation and big shrinkage. Especially， it is more difficult to control the deformation when welding the thin plates. In the manufacture of the first ship， the deck in side area is made of 3 mm thin plate. According to the conventional process， the 3 mm deck has large deformation after welding， and there is still obvious concave deformation after the distortion correction by flame， and impossible to correct. In the construction of subsequent ships， the whole process flow is sorted out， and the process measures are optimized from splicing， assembling， strengthening， adjusting installation time of outfitting parts， local overhead welding deformation control and distortion correction by flame etc.

Key words： aluminum alloy;? 3 mm deck;? thin plates; deformation control;? process optimization

1? ? ?前言

某船801分段舷側結構，如圖1所示：

（1） 甲板面為3 mm薄板，由8條縱橫對接縫拼成8050 mm×4 555 mm的甲板，拼板焊接量大；

（2） 整體為鍥形結構，中間高度為1 300 mm、外側高度為420 mm，空間狹小，施工困難；

（3） 甲板區(qū)域安裝有30塊6 mm×100 mm×600 mm的座椅墊片。

801分段船臺大合攏完工后，對下凹變形的3 mm甲板進行火工矯正，在甲板下方使用千斤頂把下凹變形頂起來，安裝加強排并火工，但在甲板冷卻拆除加強排后，甲板依然產(chǎn)生下凹變形，變形量為3～4 mm，變形較大不美觀；在后續(xù)船制作時，梳理了首制船整個工藝流程，分析每個階段影響甲板變形的因素，有針對性地提出和落實工藝優(yōu)化措施，最終確保了甲板變形控制在2 mm范圍內。

2? ? ?焊接變形情況

（1）801分段3 mm甲板面自動焊拼板后，出現(xiàn)波浪變形和在拼板焊縫相交處出現(xiàn)局部波浪變形；

（2）甲板片體脫胎翻身后，甲板出現(xiàn)較明顯的凹凸變形和甲板自由端邊（距邊緣600 mm范圍內）波浪變形較大；

（3）甲板片體組件中組結構裝焊時，由于焊接應力的作用，3 mm甲板變形進一步加大；

（4）船臺大合攏后進行舾裝件安裝，由于舷側甲板處為登陸兵艙室，甲板下方要安裝座椅的方形加強鋁塊，需進行大量的仰焊作業(yè)，整體出現(xiàn)3～4 mm的下凹變形，焊后進行火工矯正效果不明顯，外觀成型較差。

3? ? ?焊接變形原因分析

3.1? ?工藝流程

801分段舷側制作流程為：甲板拼板→甲板上胎鋪板、碼板安裝焊接、螺旋拉馬扭緊固定甲板→甲板劃線、骨材壁板安裝→結構焊接→火工定型、脫胎翻身、批補磨手尾工作→吊裝分段整體胎架進行中組→分段結構安裝和焊接→分段脫胎手尾工作、吊裝上船臺與101分段大合攏→船臺舾裝件安裝與焊接→火工變形矯正。

3.2? 變形原因分析

（1） 拼板階段：801分段舷側3 mm甲板全部采用壓力架自動TIG焊焊接而成，壓力架自動TIG焊焊接工藝技術成熟，具有焊縫質量好、拼板變形小的特點。3 mm甲板經(jīng)拼板后出現(xiàn)波浪變形和焊縫相交處的起包變形，是由焊接應力集中造成的，在排除了焊接設備、焊接工藝的影響因素，通過追溯舷側3 mm甲板的拼板順序時，發(fā)現(xiàn)導致焊接應力集中的原因：舷側甲板由7塊板材拼焊而成，形成了縱橫相交的焊縫，焊接順序是先焊縱向焊縫，再焊橫向焊縫，由于橫向焊縫不是一條直線，而是錯開200 mm距離形成兩條橫向焊縫，橫向焊縫焊接時在錯開的部位形成焊接應力集中，導致拼板后出現(xiàn)變形。圖2為舷側3 mm甲板的拼板順序。

（2）鋪板定位固定和骨材安裝階段：3 mm甲板上胎鋪板定位后，在甲板下方安裝碼板，碼板焊用螺旋拉馬勾在碼板上，通過扭緊螺旋拉馬達到拉固甲板。由于甲板為3 mm的薄板，強度低，在局部焊接應力和螺旋拉馬拉力的影響下，甲板在模板的空檔位會產(chǎn)生局部的小變形，從而導致甲板與縱橫骨材安裝時出現(xiàn)離空。首制船是通過使用門型碼和鐵鍥強力擠壓骨材與甲板密合后再點焊固定，此工藝方法會在板格間產(chǎn)生較大的內應力，甲板片體脫胎后會加大甲板的變形；

（3）結構焊接階段：3 mm甲板肋骨間距為800 mm，甲板端邊無結構支撐。首制船3 mm甲板端邊的加強排是在甲板片體翻身后再安裝的，波浪變形明顯；3 mm甲板處結構薄弱，在焊接應力的作用下，導致了甲板內部的凹凸變形；

（4）801分段中組裝焊階段：為了保證舷側肋骨框架與底板板架、甲板板架的裝配精度和安裝間隙，舷側肋骨框架先裝焊在底板上，再吊裝甲板片體與肋骨框架進行裝配和仰角焊接。仰角焊技能水平要求高，且容易把3 mm的甲板熔穿，較大的電流會引起甲板產(chǎn)生角變形（見圖3），同時由于結構薄弱，在焊接應力的作用下，舷側肋骨間的甲板會進一步產(chǎn)生變形；

（5）船臺舾裝件安裝階段：3 mm甲板區(qū)域為登陸兵艙，需在甲板下方安裝數(shù)量較多的座椅墊板。墊板為方形鋁塊（見圖4），安裝在兩檔縱骨間，四邊與甲板全焊連接，由于是仰焊，加上舷側空間狹小，容易焊穿甲板和引起較大的局部變形。

（6）火工變形矯正階段：經(jīng)過上述幾個階段的裝焊， 3 mm甲板板架產(chǎn)生下凹變形，需進行火工矯正。首制船火工工藝如下：火工矯正前，先用加強排在下凹的板格上強力拉起來，即每檔橫向骨材間都安裝加強排后再使用大號槍嘴進行火工矯正，火工冷卻后拆排，3 mm甲板板格依然產(chǎn)生明顯的下凹變形。此火工工藝方法對于板厚較大的板格是有效的，但不適用于3mm的鋁合金薄板：一是甲板上安裝加強排再火工，不利于板格應力的釋放，水火定型后由于3 mm板材強度較低，在應力的作用下會繼續(xù)產(chǎn)生變形；二是大號槍嘴熱量輸出大，在3 mm甲板上需快速移動，否則容易燒穿甲板，不利于板格應力的釋放。

通過上述分析可知， 3 mm薄板變形的主要原因是：拼板順序不合理、強力裝配引起較大的內應力、焊接加強不足、局部仰焊變形控制不好、座椅墊片船臺安裝需大量仰焊、火工矯正工藝不適用。

4? ? ?焊接變形控制工藝優(yōu)化

針對引起3 mm薄板變形的主要因素，在后續(xù)船建造中，分別從拼板順序調整、無碼裝配、增加假模板和端邊加強、焊接熱輸入量控制、優(yōu)化舾裝件安裝時機和連接節(jié)點、局部仰焊變形控制、調整火工矯正方法等工藝措施進行優(yōu)化：

4.1? ?調整拼板順序

針對首制船舷側甲板的拼板順序不合理，在橫向錯開部位形成應力集中，從而導致拼板變形的情況，后續(xù)船優(yōu)化了拼板順序（見圖5），調整了橫向焊縫的拼板時機，把兩條橫向焊縫錯開處的縱向焊縫放在最后焊接，避免了拼板的應力集中，從而減少拼板的變形，變形量控制在0.5 mm范圍內。

4.2? ? 無碼裝配

在胎骨材安裝過程，當骨材與3 mm甲板存在安裝間隙時，不采用門型碼和鐵鍥強力擠壓的裝配工藝方法，而是松開甲板下周邊的螺旋拉碼，頂升甲板，控制間隙在0.5 mm范圍，點焊固定后再拉緊螺旋拉碼。此工藝大大減少了擠壓式裝配產(chǎn)生內應力，同時也減少了門型碼點焊和碼腳批補磨作業(yè)引起的應力，有效地減少了由于骨材裝配所產(chǎn)生的變形。

4.3? ? 增加假模板和端邊加強

針對3 mm甲板區(qū)域的結構薄弱的情況，在骨材焊接前，在每檔橫向結構間安裝強力加強排，起到增加強度減少焊接變形的作用。考慮到甲板片體與底部中組階段，橫向肋骨框架與甲板的仰角焊會導致變形，此橫向強力加強排要待分段所有焊接完工后方可拆除；為了防止3 mm甲板端邊出現(xiàn)波浪變形，在骨材焊接前沿著甲板端邊線型安裝8x100 mm的加強排，待舷側封板裝焊完后方可拆除。

4.4? 控制焊接熱輸入

褔尼斯脈沖MIG焊機具有雙脈沖功能，其精確的高低雙脈沖過渡形式有效控制熔池熔化冷卻，實現(xiàn)立仰位焊槍直行不用擺動焊接，可以進一步降低焊接熱輸入量，減小焊接變形，方便狹小空間施工。為了盡量減少焊接熱輸入對3 mm甲板的影響，舷側的縱橫壁板的立角焊縫首次采用雙脈沖功能焊接，焊后變形小，焊縫呈魚鱗片成形美觀，焊接變形小。

4.5? ?優(yōu)化座椅墊片安裝時機和連接節(jié)點

首制船3 mm薄板區(qū)域的座椅墊板是在船臺階段安裝的，導致了大量的仰焊施工，加大了甲板的變形；后續(xù)船把座椅墊片安裝時機調整到甲板片體在胎制作階段，把仰焊變?yōu)槠胶福瑫r改變座椅墊板的安裝節(jié)點形式，墊板的縱向焊縫從與甲板焊接優(yōu)化為與縱骨焊接（見圖6），再加上胎架的剛性支撐，大大減少了座椅墊片焊接所帶來的變形。

4.6? ?控制局部仰焊變形

在中組階段，橫向肋骨框架與3 mm甲板的仰角焊會引起甲板產(chǎn)生較明顯的

下折變形，為此在甲板仰焊上方安裝加強排支撐再焊接（見圖7），大大減少了由于肋骨框架的仰焊所造成的甲板角變形，有利于甲板的變形控制。

4.7? ? 調整火工矯正工藝

根據(jù)首制船3 mm甲板火工矯正的情況，在后續(xù)船進行了工藝優(yōu)化：原來使用的大號槍嘴改為小號槍嘴，火工前甲板不需安裝加強排把下凹變形強力拉起來，以便在對板格的縱橫骨材背燒時釋放應力，再通過對板格的下凹變形進行水火細打，把下凹變形拉起來，從而達到矯正的效果。此火工矯正工藝效果明顯，能有效地矯正3 mm薄板的下凹變形，變形量控制在1～2 mm。

5? ? 小結

通過上述有效措施，801舷側3 mm甲板焊接變形最終控制在1～2 mm的較好范圍內，美觀性大幅提升，其優(yōu)化措施可歸結如下：

（1）控制拼板焊接變形：制定合理的焊接順序，避免在焊縫相交處開始或停止焊接，減少因應力集中而出現(xiàn)較大變形；

（2）減少裝配應力：裝配前先矯正構件的變形，避免強力裝配導致局部應力集中；

（3）增加焊接區(qū)域的剛性：識別構件剛性較弱的地方，如自由端、內部骨架較少處等，結合施工條件，增加臨時加強排或模板支撐等；

（4）控制焊接熱輸入量：選用合適的高效焊接工藝方式，采用小電流焊接，降低焊接熱量輸入；

（5）優(yōu)化節(jié)點形式：避免結構件在薄板上突然中斷，造成在端邊處應力集中，結構件應盡量相互連接起來；

（6）優(yōu)化焊接時機：通過施工流程優(yōu)化，把仰焊或立焊變?yōu)槠胶附?，更方便焊工焊接操作，從而更好控制焊腳尺寸，減少局部熱量集中；

（7）采取合理火工矯正工藝：從兩方面考慮，一是熱量輸入，使用合適槍嘴類型和火焰溫度；二是火工矯正步驟和路徑，掌握板材結構在火焰熱量下變形規(guī)律，通過火工產(chǎn)生反向變形，從而矯正變形效果。

參考文獻

[1] 李麗舒. 鋁合金船體焊接變形及控制措施探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2017年，第32期.