船舶建造過程中薄板變形問題及其控制

宓震宇，朱慧

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

1 引言

船舶建造過程中為減輕自重，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jī)或外力拉伸的方法進(jìn)行補(bǔ)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(yuǎn)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行預(yù)處理時應(yīng)綜合考慮形變條件，對變形原因進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行比對，減少拼版階段的不規(guī)則變形。詳細(xì)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(jī)進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接后按工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jī)機(jī)型焊接，控制電壓電流在標(biāo)準(zhǔn)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。控制變形的主要方法是自由邊活絡(luò)加排法，避免通焊孔數(shù)量超標(biāo)，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(jī)進(jìn)行預(yù)焊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時使用間隔跳焊。

表1 焊接工藝參數(shù)

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(jìn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，先焊外板接縫和對接縫，再對內(nèi)角焊縫進(jìn)行補(bǔ)工，最后對外板角焊縫進(jìn)行焊接。焊接參數(shù)和順序的制定應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計和行業(yè)規(guī)范施工，確保精度。基準(zhǔn)板對接縫的焊接過程中要對T型材交點和壁板交點進(jìn)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(jìn)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(yán)格依據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)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。