滾裝貨船薄板焊接變形及對策分析

譚安全 林虹兆 劉元丹

摘要：基于多艘大型滾裝貨船建造檢驗實際情況，梳理了薄板焊接變形的部位和類型，針對不同變形采取了相應(yīng)的控制方案和糾正措施，包括對船舶設(shè)計圖紙的優(yōu)化和現(xiàn)場施工工藝的控制。結(jié)果表明，薄板變形得到有效控制，船舶質(zhì)量水平進一步提升。

關(guān)鍵詞：船舶;薄板;焊接;變形

中圖分類號：TG 443

Abstract：According to the shipbuilding inspections for many ro-ro cargo ships?the hull steel sheet welding deformation and countermeasures were analyzed. The deformation was eliminated by optimizing the ship design drawings and the construction process. Through constant summary?the hull steel sheet welding deformation was controlled effectively for follow-up ships?and quality of ships was further improved.

Key words：ship; steel sheet; welding; deformation

0?前言

隨著造船技術(shù)的提升，船舶逐漸趨于大型化，貨物裝載量不斷提升。以國內(nèi)商品汽車滾裝船為例，普遍載車量在800輛以上，載車甲板包括底艙、主甲板、上甲板和多層上層建筑甲板。由于船舶載車樓層數(shù)量多，船舶重心上移，船舶穩(wěn)性受到考驗，因此薄板加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用顯得尤為重要。焊接作為一種重要的工業(yè)制造手段，正被廣泛應(yīng)用于船舶建造中。宋娓娓等人[1]通過建立薄板焊接有限元模型，對薄板焊接溫度場分布、應(yīng)力場分布和變形規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明焊接過程中薄板的平均溫度逐漸升高并趨于準穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，焊縫區(qū)域產(chǎn)生了拉應(yīng)力，焊縫區(qū)域周邊的母材金屬則產(chǎn)生壓應(yīng)力。陳懷忠等人[2]對薄板加強筋結(jié)構(gòu)焊接過程進行了有限元模擬，結(jié)果顯示薄板加強筋結(jié)構(gòu)焊后殘余應(yīng)力主要沿著焊縫分布，在遠離焊縫處殘余應(yīng)力迅速減小，最大殘余應(yīng)力位于橫向筋板與底板焊縫處。宗小彥等人[3]分析了薄板焊接燒穿和失穩(wěn)變形的原因及影響因素。對于如何控制薄板焊接變形，石小清等人[4]結(jié)合薄板焊接的影響因素，從焊接順序方面進行了梳理;李忠明等人[5]闡述了在作業(yè)中薄板焊接變形的控制措施，并從焊接工藝設(shè)計方面入手進行了實踐驗證;王順俊等人[6]重點探討了薄板箱體的焊接變形及其控制方法。薄板焊接變形后的校正難度較大，即使順利校正，亦會影響其幾何精度和裝配性能，杜小明等人[7]、齊偉等人[8]和馮偉等人[9]從薄板變形矯正的方法進行了分析，歸納了幾種有利于控制薄板焊接變形的矯正方法。然而，很多工作者大多從有限元模擬或者汽車、船舶的局部變形進行了分析，很少從整個船舶的建造角度去考慮如何控制薄板焊接變形。

文中主要基于多艘國內(nèi)大型商品汽車滾裝船建造中薄板焊接變形情況，將產(chǎn)生的焊接變形位置和種類進行了梳理。針對不同變形采取了相應(yīng)的控制方案和糾正措施，包括對船舶圖紙設(shè)計的優(yōu)化和現(xiàn)場施工工藝的控制，通過不斷總結(jié)，后續(xù)船薄板變形得到有效控制，船舶整體質(zhì)量水平進一步提升。針對主要變形問題的分析，以期為廣大同行做出有益參考。

1?變形種類及影響因素

國內(nèi)大型商品汽車滾裝船為了便于裝載汽車，常采取大跨甲板加梁結(jié)構(gòu)，載車甲板支撐支柱很少，僅僅依靠側(cè)壁和中縱剖面支柱支撐，即從甲板中縱剖面到舷側(cè)跨距10 m左右無強構(gòu)件立體支撐，甲板結(jié)構(gòu)容易變形，樓層高度控制難度較大。以某大型商品汽車滾裝船為例，船舶總長120 m，船寬20 m，型深6 m，設(shè)計吃水3 m，裝載車量850輛，車輛甲板7層，包括船舶底部車輛艙、主甲板、上甲板及上層建筑4甲板，車輛甲板僅在中縱剖面處設(shè)有支柱，便于車輛裝載和停泊，如圖1所示。

1.1?變形種類

由于車輛甲板板厚僅4～5 mm，支撐構(gòu)件少，甲板結(jié)構(gòu)在裝配焊接過程中易變形，變形種類主要有：①波浪式變形，此變形為薄板焊接中最主要的變形;②縱向和橫向收縮變形;③角變形;④彎曲變形;⑤扭曲變形。

在焊接過程中，不均勻的熱輸入造成不均勻、不穩(wěn)定的溫度場。隨著焊接的進行，熱源不斷向前移動，焊縫單元溫度瞬間升高至上千攝氏度，然后在數(shù)秒內(nèi)冷卻至500 ℃以下，焊縫經(jīng)歷了較強的快速加熱和快速冷卻[10]。同時，由于板材和構(gòu)件的約束作用，近焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力而在遠離焊縫的區(qū)域產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，當焊縫的縱向收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到臨界應(yīng)力時，薄板結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)變形[11]。

焊接變形位置主要集中在甲板合攏區(qū)域、縱骨接頭區(qū)域、斜車道與上下甲板連接區(qū)域，以及中縱剖面到舷側(cè)的局部甲板區(qū)域，上述區(qū)域普遍存在結(jié)構(gòu)連接或結(jié)構(gòu)突變較大的位置。

1.2?變形影響因素

焊接會引起局部加熱，不可避免存在變形，然而合理的焊接工藝和正確的現(xiàn)場施工管理卻能使焊接變形得到有效控制。焊接變形因素很多，此處主要針對參與建造的滾裝貨船變形情況說明，主要包括：

（1）焊縫布置不合理。由于車輛甲板帶有角鋼，甲板合攏位置與角鋼位置不一致，相距300～500 mm，雖然有利于甲板合攏，減少甲板支撐，角鋼接頭處變形較大，進而影響甲板質(zhì)量。

（2）焊接人員操作能力不足。焊接電壓和焊接電流調(diào)節(jié)過大，焊接速度不一，焊縫余高往往較大，過大的熱輸入，勢必出現(xiàn)較大的焊接變形。

（3）焊接管理方法不足。未嚴格按照焊接結(jié)構(gòu)的安裝焊接順序施焊，未采取對稱、分段跳焊等管理方法。

（4）輔助設(shè)施設(shè)備缺少。由于甲板支撐結(jié)構(gòu)跨距較大，現(xiàn)場臨時支撐和焊縫校平夾具不足。

（5）不當?shù)男Ｕ椒?。剛開始可能只有些許變形，但由于缺乏水火校正經(jīng)驗，導(dǎo)致更大范圍變形，結(jié)構(gòu)受損。

2?變形控制

針對該船變形情況，召集設(shè)計、質(zhì)量、工藝、生產(chǎn)等部門和相關(guān)負責(zé)人進行總結(jié)，采取了一系列控制措施，包括焊前準備、焊接控制及焊后校核等方法，確保了船舶載車甲板變形得到有效控制。

2.1?焊前準備

（1）合理的焊縫設(shè)計，減少不必要焊縫，避免多次受熱。圖2為甲板構(gòu)件接頭與甲板合攏縫錯開排列，減少了現(xiàn)場裝配工作量，甲板下方臨時支撐相對較少，但此種裝配對甲板或構(gòu)件變形影響較大。根據(jù)船舶建造工序，先進行甲板合攏縫焊接，但由于構(gòu)件接頭與甲板合攏縫間距較小，構(gòu)件對接焊接時將對甲板合攏焊縫及附近區(qū)域二次受熱，導(dǎo)致甲板局部應(yīng)力無法完全釋放，最終引起甲板或構(gòu)件變形。

因此，現(xiàn)場采取圖3所示板縫和構(gòu)件對接縫排列，結(jié)構(gòu)布置對稱，并在合攏區(qū)設(shè)置適當數(shù)量的碼板和臨時支撐，保障層高間距和焊縫平齊，安排兩名焊工同時從中間到兩側(cè)對稱施焊，合攏區(qū)焊接應(yīng)力得到釋放，變形得到控制。對于小型船廠，為了減少構(gòu)件支撐和裝配工作量，若采取構(gòu)件接頭與合攏縫錯開布置，建議錯開間距500 mm以上。

（2）控制下料和合理裝配。船用板材和構(gòu)件采用數(shù)控統(tǒng)一下料，裝配前盡可能校平、校直，消除其變形和內(nèi)應(yīng)力，采用剪邊機、刨邊機對鋼板邊緣進行加工，去除毛刺、銹跡，打磨光順，提高鋼板的邊緣質(zhì)量，保障裝配間隙均勻，避免采取生接硬拽等強制裝配方式。

（3）增加焊縫兩側(cè)剛性。在船臺上合攏焊接時，為防止薄板的波浪變形而采取在焊縫兩側(cè)用壓鐵或輔助碼板加固。由于該滾裝船的載車甲板跨距大，從甲板中縱剖面到舷側(cè)跨距10 m左右無強構(gòu)件立體支撐，因此在合攏焊前需設(shè)置足夠數(shù)量的臨時支撐，增大焊接區(qū)域構(gòu)件剛性，有利于減少焊接變形。

（4）焊縫布置應(yīng)盡可能考慮與結(jié)構(gòu)中和軸對稱，在最大應(yīng)力區(qū)域外。

2.2?焊接控制

焊接必須由持證焊工施焊，焊接方法嚴格按照焊接工藝評定進行。對于薄板焊接，重點要控制焊接方法和順序、焊接工藝參數(shù)，同時對結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域重點把握，主要體現(xiàn)在甲板間固定斜坡道與甲板的焊接、載車甲板與起居處所的連接、甲板合攏縫等位置。因此，焊接過程中采取如下措施。

2.2.1?固定斜坡道與甲板的焊接

對于滾裝貨船，甲板間固定斜坡道與甲板的焊接是焊接控制的難點與重點，該船載重甲板7層，設(shè)置了6個固定斜坡道，坡道形式如圖4所示。

由于設(shè)置坡道處存在甲板大開口，結(jié)構(gòu)突變較大，容易造成應(yīng)力集中。因此，在現(xiàn)場裝配和焊接時主要采取如下措施，以防止甲板發(fā)生較大變形。

（1）坡道與上層甲板采取對接焊接（陶瓷襯墊焊），如圖5所示。坡道與下層甲板采搭接焊接（連續(xù)角焊），同時在搭接范圍內(nèi)采用塞焊（坡道與下層甲板），確保焊接質(zhì)量滿足要求。

（2）在坡道位置四周（甲板開口四周）范圍內(nèi)的甲板下方增設(shè)強力構(gòu)件，保障甲板開口后的強度。同時，由于車輛從坡道行至甲板時會產(chǎn)生較大的沖擊力，坡道與甲板連接處附近會承受較大的應(yīng)力，因此要特別注意在坡道與甲板上、下連接位置處的甲板反面連續(xù)設(shè)置兩道強橫梁，否則此處甲板易出現(xiàn)較大變形。

（3）開口角隅處應(yīng)力往往較大，在角隅處需設(shè)置1.5倍甲板厚的增厚板或與甲板等厚的腹板，以滿足中國造船質(zhì)量標準要求，此處采取與甲板等厚的腹板塞焊連接，腹板形式和焊接方式滿足要求。

2.2.2?載車甲板與起居處所連接

滾裝貨船往往在甲板首部區(qū)域設(shè)置船員居住處所，因此涉及到載車甲板與起居處所圍壁的連接，由于該船載車甲板僅中部存在縱向的支柱和兩舷側(cè)圍壁支撐，其與起居處所圍壁連接后往往因為結(jié)構(gòu)突變而出現(xiàn)較大變形，變形位置如圖6中圓圈標出區(qū)域。

根據(jù)實際變形情況，考慮到載車甲板與起居處所的連接后引起了結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致此處應(yīng)力較大，因此采取在連接位置附近的載車甲板下方增設(shè)1～2道強橫梁結(jié)構(gòu)，有效過渡了載車甲板的結(jié)構(gòu)突變，變形得到有效控制。后續(xù)系列船根據(jù)修改圖紙建造，未發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)較大變形。

2.2.3?甲板合攏縫區(qū)域

關(guān)于甲板合攏在焊前準備中已有闡述，此處重點強調(diào)焊接時應(yīng)注意焊接坡口的設(shè)計與現(xiàn)場焊前裝配、打磨，坡口及50 mm范圍內(nèi)要求打磨光順，無毛刺，確保焊前坡口質(zhì)量良好如圖7所示。由于滾裝貨船普遍采取箱型中縱桁材結(jié)構(gòu)，即甲板中部設(shè)置“Π”形縱桁強力結(jié)構(gòu)，甲板合攏時存在縱桁結(jié)構(gòu)的對接，在焊接時有的采取甲板開孔焊接，有的采取開箱型梁腹板焊接。如果在甲板上開孔焊接，勢必造成甲板結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力發(fā)生變化，容易出現(xiàn)焊接變形。因此，采取在箱型結(jié)構(gòu)腹板上開孔焊接，最后用鋼質(zhì)襯墊封板完成整個箱型結(jié)構(gòu)的對接。

2.3?焊后矯正

構(gòu)件在下料、搬運和裝配時的變形往往采取機械矯正，如：平板機、油壓機、摩擦壓力機等設(shè)備的矯正。矯正原理是促使鋼板在外力作用下產(chǎn)生與變形相反的塑形變形;而構(gòu)件焊后的變形多指局部變形，如：彎曲變形、角變形、波浪變形等，通常采取火焰矯正。

火焰矯正是通過控制加熱和冷卻產(chǎn)生新變形來抵消原變形，從而達到矯正的目的。由于金屬材料熱脹冷縮的物理特性，在變形部位進行加熱，溫度上升，繼而膨脹，但其周圍溫度低（未加熱），導(dǎo)致膨脹受阻，促使加熱的部位產(chǎn)生了壓縮塑性變形;停止加熱并冷卻后，膨脹處的材料收縮，新變形產(chǎn)生。也正因如此，在施工過程中，通常采用邊加熱邊噴水冷卻的方法，即能提高工作效率，又能提高矯正效果。

通過焊前和焊接過程的良好控制，此滾裝貨船的載車甲板仍存在少量凹凸變形，在矯正時采取如下措施：輕微變形采取點狀錘擊矯正，變形較大時采用點狀加熱并錘擊矯正，必要時在水中加熱，加熱和錘擊從凸起的四周逐漸到凸起部位。

3?結(jié)論

（1）基于滾裝貨船實際情況，重點分析了滾裝貨船的載車甲板變形常見位置主要集中在甲板合攏區(qū)域、縱骨接頭區(qū)域、斜車道與上下甲板連接區(qū)域以及中縱剖面到舷側(cè)的局部甲板區(qū)域，而使用合理的焊接工藝和正確的現(xiàn)場施工管理可以有效控制焊接變形。

（2）針對滾裝船變形情況，采取了焊前準備、焊接控制及焊后矯正等一系列控制措施，確保了船舶載車甲板變形得到有效控制，進一步提升船舶質(zhì)量水平。

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