“海洋地質十號”調查船薄板變形控制

李德派 潘安國

摘 要：“海洋地質十號”調查船是一艘重量輕、航速快的船舶。該船對船舶重量控制嚴格，對艙室圍壁板選用了厚度為4mm的薄板。薄板變形控制是該船建造的最大難點。本文從薄板建造的各個環(huán)節(jié)（原材料來貨、數控下料、拼板、片體制作、薄板加強保型、薄板開孔、薄板吊運、薄板火工調型作業(yè)、焊材選用、焊腳控制等）分析薄板變形的原因和采取的防變形措施，使變形得到了有效控制。

關鍵詞：薄板；焊接；變形；控制

中圖分類號：U674.15 文獻標識碼：A

Abstract： The geophysical research vessel “HAIYANGDIZHISHIHAO” is a light， agile and speediness vessel. Because Weight control is strict， tank bulkhead chooses 4 mm plate. Thin plate distortion control is the biggest difficulty of vessel building. This paper analyses the causes of thin plate distortion and explain how to prevent distortion during every phase of thin plate building， including steel plate arrival， numerical control nesting， splicing plate， unit building， reinforcing thin plate， opening hole， lifting， flame Straightening， welding material selection， welding leg controlling in order that the distortion is controlled.

Key words： Thin plate； Welding； Distortion； Control

1 前言

“海洋地質十號”調查船是我司2016年承建的中國海洋地質調查局的一艘先進的科考船。該船船體艙室圍壁全部采用4 mm薄板，全船10 mm以下鋼板占全船結構重量的60%，因此本船是一艘較為典型的薄板船，這也是本船船體建造的最大難點。

薄板剛性差，短時間內易產生塑性變形，長時間內易發(fā)生彎曲變形，受熱影響作用板面易產生波浪變形，同時板面收縮明顯。

2 薄板變形原因分析

薄板在建造過程中產生變形的主要原因如下：

2.1 吊轉運變形

包括鋼板從鋼廠來貨、零部件運輸、拼板翻身、片體翻身、小中大組立吊裝、總組吊裝直到最后船臺搭載的整個過程中中產生的變形。

2.2 裝配變形

由于零部件加工精度存在的誤差、小中大組建造精度的偏差、以及平臺或胎架不平整造成的裝配變形。

2.3 焊接變形

因裝配間隙超差或焊接操作不當造成焊腳過大、以及焊接順序、焊接方法不合理引起的變形。

2.4 火工變形

板面切割動火作業(yè)、結構退火松骨和變形矯正過程中，因火工程序和火工方法不當引起的變形。

3 薄板施工方案

3.1 薄板精度方案

考慮到薄板受各種熱影響作用（如：切割下料熱影響、焊接熱影響、板架骨材退火松骨、板面變形火工矯正等）板面會發(fā)生明顯收縮，為減少或避免因板面收縮產生的短尺現象，該項目通過薄板試驗并結合其他船的薄板建造經驗，在每檔骨材之間加放了1 mm的焊接收縮量；同時結合該船4 mm薄板片體結構特點（骨材兩端為削斜節(jié)點，不與上下平臺結構對位焊接），在片體端部依據片體長度情況又選擇性的加放了3 mm、5 mm、8 mm的裝配補償量，減少或避免短尺現象的出現。

3.2 零件切割下料及矯平

在眾多薄板變形矯正方法中，對板面尺寸影響最小又能確保鋼板材質不發(fā)生變化的當屬機械矯正。4mm薄板來貨后先送九芯輥輥平消除鋼板熱軋應力和來貨轉運過程中產生的各種變形，再吊上切割平臺下料，減少薄板切割因變形的存在對下料精度的影響。

考慮到薄板易產生塑性變形，而數控等離子切割平臺的平整度將直接影響薄板切割精度，因此要求切割平臺每2天進行一次整體清理，使局部掛渣嚴重位置做到及時清理，確保切割平臺每6 m范圍內水平度控制在±5 mm，減少切割平臺對薄板切割下料的精度影響。薄板切割見圖1。

等離子切割作業(yè)屬加熱工作業(yè)，切割過程中零件邊緣受熱會發(fā)生變形。針對這一問題，凡不大于8 mm的薄板切割下料后先送九芯輥輥平消除板邊切割熱應力，確保板面的平整度，再送往下道工序各工位。薄板矯正見圖2。

3.3 型材下料及矯直

裝配間隙直接影響焊接填充量，間隙越大填充量越大，焊接變形也隨之增大。分析間隙產生的因素主要有：（1）型材不直存在彎曲；（2）板面存在凹凸變形；（3）裝配作業(yè)控制不到位。

為了控制裝配間隙，對肋骨冷彎機頂模進行了改造，使其滿足薄板區(qū)域小骨材（一般規(guī)格為HP60*5的小球扁鋼）的頂直加工需求，消除來貨變形和切割加熱工作業(yè)產生的變形，確保裝配間隙控制在1 mm以內，避免間隙超差的情況出現。型材頂直見圖3。

3.4 薄板加排方案

鑒于薄板片體剛性差、吊運過程中集中受力、轉運過程擺放不平、轉運顛簸產生的集中受力和焊接熱影響等因素產生的變形，為增強片體剛性減少這些變形的發(fā)生，在片體制作焊前階段實施薄板加排，提前進行干預補強。加排安裝在結構面（板面區(qū)域長度10mm點焊，空檔部位加連接碼板），約束了因焊接產生的變形，減少板面的自由收縮，減少板邊因板面受熱分布不均勻產生的波浪變形。片體加排見圖4。

分段成形后為減少后續(xù)吊運轉運過程中的扭曲變形，先確定片體角接部位或對接部位的精度，再將所有的片體加排連接成整體，提高分段整體剛性。加排連接見圖5。

3.5 薄板制作平臺改造

薄板在拼板過程中，受埋弧焊機自重和網格狀胎架影響，薄板板面會出現跌蕩起伏的現象。根據薄板試驗經驗，薄板在鋼平臺制作較常規(guī)網格胎架上制作變形要小。對小組胎架進行改造，鋪設鋼板制作鋼平臺，確保薄板板面受到均勻的支撐，不會因集中受力發(fā)生變化。

結合之前的薄板建造經驗，分段胎架為普通的活絡樁胎架（樁距1 m*1 m）時，胎架板僅受到點支撐，部分強結構下方無支撐點，板面易因受力不均發(fā)生變形，增加后期火工矯正工作量。為避免或減少重力變形及引起的其他變形，薄板分段建造胎架選用了扁鐵圍邊胎架（圍邊布置在強結構下方和胎架四周），確保強構件下方均有支撐保持板面平鋪。胎架板上胎后用重塊壓貼并做封胎處理。扁鐵圍邊胎架見圖6，壓胎見圖7。

3.6 薄板焊接的選用

薄板區(qū)域角焊焊腳為4 mm，為加強焊腳尺寸的控制，拼板作業(yè)選用Φ2.5 mm的埋弧焊焊絲，裝配點焊作業(yè)選用規(guī)格為SQJ501 ?1.0 mm藥芯焊絲，平角焊選用SQJ501 Φ1.0 mm的藥芯焊絲，立角焊選用規(guī)格為DW-110EV Φ1.2 mm藥芯焊絲，從焊材源頭控制和減少線能量對板面的熱影響。

3.7 薄板拼板焊接工藝

針對薄板切割下料過程中出現的切割自然坡口問題，拼板過程中采用二氧化碳氣體保護焊正面焊接，背面采用埋弧焊焊接，消除自然坡口的影響；拼板引熄弧板選用400 mm*100 mm，寬邊與焊縫垂直安裝，增大板邊約束長度，減少拼板板端“豬嘴”現象；拼板過程板縫兩邊采用重塊壓固，四周卡碼固定，約束板面受熱自由變形；板縫裝配點焊作業(yè)采用Φ10 mm、間距100 mm釘焊，減少點焊長度，增大點焊密度，減少板面焊接過程中的張合，減少單個點焊熱影響面積。

3.8 骨材安裝與焊接

骨材配料到位后，對骨材的直線度逐根進行檢查，及時減少或消除型材頂直后的反彈或吊轉運變形對后續(xù)裝配間隙的影響。主板四周卡碼固定后，裝配骨材（采用大小Φ10 mm、間距100 mm釘焊）過程中不允許出現強行裝配。裝配完后做好焊前加排處理，骨材邊吊重塊壓固，長度≥600 mm的角焊縫均采用角焊小車焊接。

3.9 吊運方式

薄板吊運均采用磁力吊，轉運采用平斗，增大受力面積，減少集中受力。

4 mm薄板片體選用小板夾，板面不允許焊接吊環(huán)，片體吊環(huán)焊接在骨材上或加強材料上，減少板面熱影響變形。

3.10 薄板開孔

以往6 mm薄板現場手工開孔是采用2#割嘴，切割線能量大，板面在受熱過程中易發(fā)生凹凸變形。針對該問題，船體結構切割選擇了1#割嘴，管系開孔選擇了便攜式等離子切割機。開孔前在孔邊50 mm范圍內先做臨時加強處理，切割時使用靠模，提升切割質量和效率，減少切割線能量，減少熱影響次數。

3.11 薄板變形矯正

考慮到片體階段約束較少， 4 mm薄板片體在片體階段不進行退火處理，在分段成形后加（下轉第頁）（上接第頁）

排連接成整體后再進行退火，變形部位優(yōu)先考慮加排處理，必要時輔以火工矯正，減少火工作業(yè)次數，減少熱工作業(yè)對鋼板材質的影響。

4 結束語

（1）通過制定合理的精度方案，從設計源頭上避免了后期間隙超差的可能性；

（2）通過對加工和建造平臺的改造，解決了薄板板面軟無法平鋪的難題，避免了薄板骨材裝配超差的可能性；

（3）通過制定合理的片體加排補強方案，彌補了薄板剛性不足的弱點，減少了薄板板面變形的產生；

（4）通過選取合適的焊材、合理的裝配工藝和合理的焊接工藝，薄板焊接變形得到了控制；

（5）選取合適的薄板變形矯正時機，減少了4 mm薄板火調次數，避免了因火調過多對鋼板材質的破壞和分段精度的影響。

從制作過程和完工質量來看，板邊無明顯的波浪變形，板面無明顯的凹凸變形，完全滿足相關規(guī)范與標準，獲得了船東、船檢的高度認可。該船薄板變形控制是成功的，為薄板建造積累了寶貴的經驗。