船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正

張寧園 等

摘要：船舶建造過程中的變形是一種常見現(xiàn)象，主要是由于船體結(jié)構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。如不及時采取有效措施，會造成尺寸偏差、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強度降低等后果，給下一階段的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導(dǎo)致工期延長，甚至無法達到規(guī)范要求。因此，研究焊接變形產(chǎn)生的原因，采取正確的控制措施，合理地對變形進行矯正，對縮短船舶建造周期，提高船舶建造質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：火工矯正 控制 變形 船體結(jié)構(gòu)

1 概述

隨著世界造船業(yè)的不斷發(fā)展，船舶現(xiàn)代化程度越來越高，在船舶的建造過程中，新技術(shù)、新工藝不斷得到應(yīng)用，我國已經(jīng)成為世界造船大國之一。船體本身是特殊的，其外形是個空間曲面，在船舶建造和修理過程中為了修正其結(jié)構(gòu)的變形，船體主要是由焊接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，船廠通常采用火工矯正的工藝方法。

2 船體結(jié)構(gòu)變形原因及形式

船舶建造過程中的變形是一種常見現(xiàn)象，主要是由于船體結(jié)構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。產(chǎn)生焊接變形最基本和最本質(zhì)的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件的約束，出現(xiàn)了壓縮塑性變形。

船體變形可大致分為：發(fā)生于焊接結(jié)構(gòu)某部位的構(gòu)件局部變形，除此之外，還有體變形，即整個結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生了變化。

3 焊接變形的預(yù)防與控制

由于焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們在船舶建造過程中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變形情況出現(xiàn)。

由于焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們在船舶建造過程中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變形情況出現(xiàn)。目前在實際生產(chǎn)中，主要應(yīng)用以下四種辦法控制變形。

3.1 正確的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

①設(shè)計薄板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)校核和提高構(gòu)件的穩(wěn)定性，防止波浪變形。②優(yōu)先考慮型鋼代替鋼板，想方設(shè)法提高鋼材的利用率，盡可能減少焊縫數(shù)量。③盡可能選取小的焊縫尺寸，在保證結(jié)構(gòu)承載能力條件下，綜合施工工藝的可能性。④為避免焊接后產(chǎn)生扭曲或較大彎曲變形，應(yīng)盡可能使焊縫對稱于截面中性軸，選用對稱截面的結(jié)構(gòu)。

3.2 合理的裝配焊接工藝

合理的裝配焊接法是另外一種控制總體和結(jié)構(gòu)變形的重要方法。船體裝配應(yīng)盡可能地在無裝配應(yīng)力強制下進行。若裝配應(yīng)力過大，則有可能在未焊接時即產(chǎn)生波浪變形，對薄板構(gòu)件的焊接裝配尤其需要注意。焊接電流、焊接速度、焊接方向、焊接順序、焊接方法等都會對結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。針對不同的板材及焊接方法，可選取不同的焊接電流與焊接速度，但焊接順序和焊接方向一般來說具有一定的原則性，且對整個船體的變形影響顯著。

3.3 反變形措施

反變形措施也稱為變形補償控制，主要針對船體總尺寸的收縮變形及中垂（或中拱）進行變形量的彌補。目前主要采取的措施是在線型放樣中及胎架上施放反變形量。根據(jù)經(jīng)驗，一般來說可在縱向每檔肋距加放1mm的焊接收縮量，橫向每檔肋距加放0.5mm的焊接收縮量，可較好地抵消總尺寸的縮短；在每檔肋距施放1mm高度反變形，可較好地抵消船體中垂（或中拱）變形。這兩種反變形措施都具有良好的補償效果。

3.4 剛性固定法約束控制

剛性固定法是將構(gòu)件固定在具有足夠剛性平臺或胎架上，待構(gòu)件上所有焊縫冷卻后再去掉剛性固定的方法，一般在無反變形的情況實施，多應(yīng)用于各種船體構(gòu)件的施焊過程。采取這種措施可使構(gòu)件的變形遠小于自由狀態(tài)下焊接所產(chǎn)生的變形，特別用來防止角變形和波浪變形效果明顯。

4 變形的火工矯正

火工矯正工藝是一種行之有效的矯正變形與消除殘余應(yīng)力的方法。船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，就是利用金屬局部受熱后，所引起的新的變形去矯正原先的變形。當(dāng)金屬局部加熱時，被加熱處的材料受熱而膨脹，但由于周圍溫度低，因此膨脹受到阻礙，此時加熱處金屬受壓縮壓力，當(dāng)加熱溫度為600℃～700℃時，壓縮應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生壓縮塑性變形。停止加熱后，金屬冷卻縮短，結(jié)果加熱處金屬纖維要比原先的短，因而產(chǎn)生新的變形。

4.1 火工加工在船體建造中的作用

船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，從本質(zhì)上說，是船體零件局部熱加工的逆過程?；鸸こC正的過程，就是熱處理方法使舊的永久變形轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠谰米冃蔚倪^程。盡管他們的約束條件有所不同，但基本原理是一樣的。

4.2 火工矯正的主要方法

4.2.1 火工矯正的加熱方法。一般情況下，火工矯正的加熱處總在焊縫對稱的反面，對稱于變形構(gòu)件斷面的中和軸。加熱時火焰的特性、焰嘴的高低、孔徑的大小、加熱速度等，與矯正變形的效果有著密切的關(guān)系，目前，常用的加熱氣體為氧-乙炔氣和氧-丙烯氣。

下面介紹氧-乙炔焰。

火焰的特性：氧-乙炔產(chǎn)生的火焰，有乙炔過剩焰、中性焰和氧氣過剩焰?；鸸こC正一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有10～20mm長固定的白色亮點，并能清晰看到這個白色的亮點。焰心距離：焰心的距離是指火焰的白亮點到鋼板表面的距離。加熱效率最高的地方，也就是溫度最高處是離白亮點末端3～10mm的地方。所以，焰心與鋼板的距離大小直接影響到加熱的速度和溫度。鋼板厚度與焰心距離的參考數(shù)據(jù)可參考下表：4.2.2 火工矯正的冷卻方法?；鸸こC正的冷卻方法分空冷和水冷兩種。

空冷：構(gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后在空氣中自然冷卻，這種冷卻速度較慢，僅適應(yīng)于某些特殊要求的鋼材或冬季施工時。

水冷：構(gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后緊接著澆注冷水進行冷卻。這種冷卻能夠加快冷卻速度，提高矯正效率。水冷又分為正面跟蹤水冷和背面跟蹤水冷兩種。特別應(yīng)注意的是采用水冷之前必須確認(rèn)被矯正的構(gòu)件材料是否允許水冷。4.2.3 火工矯正的主要方法。在施工實踐中，要想使火工矯正取得理想的效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和變形情況，分析變形的原因，確定不同的火工矯正方法。最基本的加熱矯正方法有三角形加熱矯正法、線狀加熱矯正法和點狀加熱矯正法，有時候還需要同時采用兩種或兩種以上的矯正方法。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過演變火工矯正的方法歸納為下列常用的幾種方法。4.3 火工矯正原理

①利用長條形加熱線橫向收縮比縱向收縮量大的原理進行矯正。②利用溫度沿板厚方向形成梯度分布從而導(dǎo)致熱塑變形的梯度分布的原理進行矯正。例如：對板的角變形的矯正，千萬不要透燒，否則削弱梯度分布，對矯正效果不利。③利用長條形加熱橫向塑性變形起點與終點變形量的差異進行矯正。一般把變形量大的一端放在加熱線的終端，而非始端。④利用剛性約束能加大熱塑變形量的原理進行矯正。如果取水冷卻的火工矯正辦法，讓周圍的金屬盡量保持冷卻以提高周圍約束的剛性，從而增大矯正效果。⑤利用預(yù)應(yīng)力進行矯正。如果用輔助工夾具等，以使冷金屬區(qū)域預(yù)先有一個附加的應(yīng)力壓縮加熱區(qū)金屬，促使壓縮應(yīng)力提早達到屈服點，而加快熱塑變形以增大矯正效果。

4.4 火工矯正參數(shù)

①火工矯正參數(shù)包括火焰性質(zhì)、火焰功率、加熱溫度、加熱區(qū)規(guī)格、火焰至工件表面距離；火焰一般采用氧-乙炔焰。②鋼板四邊波浪變形時，加熱長度一般為板寬的1/2～1/3，加熱距離視變形越大，距離越近，一般50～200mm。矯正厚鋼板彎曲變形時，加熱深度不超過板厚的1/3。③加熱點至工件表面的距離應(yīng)以能獲得最高的熱效率為宜。水火矯正厚度為5～6mm鋼板時，水火間距離為約25～30mm。④低碳鋼火焰矯正時，常采用600℃～800℃的加熱溫度，一般不超過850℃。

5 結(jié)束語

綜上所述，船舶建造過程中，變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接變形，并對超出公差要求的焊接變形進行矯正，從而既滿足船舶強度和使用性能，又滿足經(jīng)濟性要求。

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