影響船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的因素及消除方法研究

趙健

摘? ?要：船體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力可導(dǎo)致船體焊接結(jié)構(gòu)件性能的下降以及船體制造精度難以控制，對(duì)船舶建造質(zhì)量有著較大影響。鑒于船體結(jié)構(gòu)具有較復(fù)雜的形狀和較大的尺寸，船體焊接殘余應(yīng)力的處理不易采取措施。文章基于船舶焊接殘余應(yīng)力形成原因的闡述，分析了船舶焊接殘余應(yīng)力的影響因素，并提出了根據(jù)船體構(gòu)件不同階段裝焊特性，采取針對(duì)性的控制措施，旨在最大程度上減少或消除焊接殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：船體構(gòu)件;焊接殘余應(yīng)力;形成原因;影響因素;應(yīng)力消除

船舶作為一種大型焊接結(jié)構(gòu)，其建造中的各個(gè)工序均有焊接結(jié)構(gòu)件的大量應(yīng)用，而焊接結(jié)構(gòu)件的主要構(gòu)成部分是焊接接頭，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響接頭的性能，降低船體構(gòu)件的韌性和強(qiáng)度，并且可能導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)裂縫甚至斷裂。因此，采取有效控制措施降低或消除焊接殘余應(yīng)力對(duì)增加船體構(gòu)件整體穩(wěn)定性，確保船舶建造質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ? 船舶焊接殘余應(yīng)力的形成原因

在焊接船舶金屬結(jié)構(gòu)過程中，通常采取金屬局部加熱方式，致使焊接時(shí)構(gòu)件溫度分布不均衡，焊縫、焊縫周邊區(qū)域以及近縫區(qū)的金屬都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)熱循環(huán)過程：加熱→融化→冷卻、凝固，而金屬的熱脹冷縮在焊接時(shí)處于強(qiáng)約束狀態(tài)中，從而造成船體結(jié)構(gòu)金屬產(chǎn)生極具復(fù)雜性的殘余應(yīng)力和變形[1]。

焊接殘余應(yīng)力基本上分成兩種：（1）因結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生不同區(qū)域間自平衡的殘余應(yīng)力。（2）在船舶整體結(jié)構(gòu)中，由于強(qiáng)行裝配尺寸不融洽的各個(gè)部件以及在控制結(jié)構(gòu)裝配精度方面的缺陷而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。前者產(chǎn)生的焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力極為普遍，應(yīng)作為研究重點(diǎn)。此類殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，與焊接接頭部位極不均勻加熱以及彈塑性變形緊密相關(guān)。

2? ? 船舶焊接殘余應(yīng)力的影響因素分析

2.1? 焊接時(shí)極不均勻的溫度分布

在焊接過程中，焊接區(qū)域不同的部位，其溫度也會(huì)有所差異，溫度分布的不均勻會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹量。而冷卻時(shí)，周圍金屬將約束膨脹部分的收縮，致使熱脹冷縮無法同步，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。

2.2? 焊接結(jié)構(gòu)的剛性大小

焊接結(jié)構(gòu)自身的剛性對(duì)加熱（冷卻）時(shí)的自由膨脹（收縮）存在約束性，以致焊接接頭中形成應(yīng)力與變形，而焊接結(jié)構(gòu)的限制條件、力學(xué)性能與其剛性的大小密切聯(lián)系。當(dāng)前，船體用結(jié)構(gòu)鋼大多采用高強(qiáng)度鋼，加之大量的封閉焊縫存在于船體板殼結(jié)構(gòu)中，因此結(jié)構(gòu)的剛性較大，極易形成較大的焊接殘余應(yīng)力[2]。

2.3? 焊接結(jié)構(gòu)的尺寸

焊接殘余應(yīng)力在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中是極具復(fù)雜性的三向應(yīng)力，分別為：（1）橫向殘余應(yīng)力。主要作用于焊縫及其周邊區(qū)域，橫向殘余應(yīng)力的分布同焊接順序、焊接方向緊密相關(guān)。（2）縱向殘余應(yīng)力。其分布特性為焊縫及其周邊區(qū)域、兩側(cè)分別受拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。由于裝焊船體外板的結(jié)構(gòu)具有較大的尺寸，因此會(huì)有較大的縱向殘余應(yīng)力。（3）板厚方向的殘余應(yīng)力。板厚增大的情況下，大量的焊縫構(gòu)成焊接接頭，而后焊的單道焊縫受到先焊的單道焊縫的限制作用，導(dǎo)致在板厚的不同部位上，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的值有所差異，進(jìn)而形成沿板厚方向的復(fù)雜分布。

船舶焊接殘余應(yīng)力的影響因素諸多，除上述幾方面以外，結(jié)構(gòu)中焊縫的位置、焊接方向以及焊接速度等均會(huì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，而焊接殘余應(yīng)力的存在不但造成船體焊接結(jié)構(gòu)件性能下降，難以保證船舶建造質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致船舶使用過程中突發(fā)脆性斷裂。為此，在船體構(gòu)件裝焊過程中，最大程度上降低或消除殘余應(yīng)力是需要解決的一個(gè)重要問題。

3? ? 消除船體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的方法探究

鑒于船體建造過程相對(duì)復(fù)雜，需根據(jù)不同階段裝焊特點(diǎn)采取針對(duì)性的措施進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的減少或消除。而從造船經(jīng)濟(jì)、周期等角度考慮，對(duì)所有船體焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力進(jìn)行消除不太現(xiàn)實(shí)，通常而言：（1）結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力腐蝕危險(xiǎn)。（2）結(jié)構(gòu)對(duì)剛度、尺寸精度有較高的要求。（3）焊接后結(jié)構(gòu)具有較多的加工量。（4）厚截面復(fù)雜結(jié)構(gòu)在工作、安裝和運(yùn)輸時(shí)有遇到低溫的可能性，出現(xiàn)脆性斷裂危險(xiǎn)[3]。（5）壓力容器厚度超過一定限度。上述幾種情況下的船體焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力的消除應(yīng)特別注重，具體的船舶焊接殘余應(yīng)力的控制與消除方法包括以下幾方面。

3.1? 改進(jìn)船舶設(shè)計(jì)、施工工藝，降低焊接殘余應(yīng)力

船舶設(shè)計(jì)方面降低焊接殘余應(yīng)力的方法包括：（1）盡量采用T形接頭、平板替代十字接頭、弧形板，盡可能使用厚度較小的型材，避免多結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接，加強(qiáng)筋若設(shè)計(jì)，無明確要求則少用，同時(shí)輔助焊縫尺寸最好采用與設(shè)計(jì)要求相一致的最小尺寸，采用具有較小剛性的接頭形式。（2）最大限度縮減焊縫尺寸及其數(shù)量，將焊縫分散化，避免焊縫集中。（3）拉應(yīng)力的殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)防止出現(xiàn)未熔合、未焊透等幾何不連續(xù)性的情況。（4）焊縫的布置最好不要設(shè)置在應(yīng)力集中或極易產(chǎn)生變形的區(qū)域。施工工藝方面盡可能地保證均勻的溫度分布，采取的措施包括焊接方向、順序合理，分散殘余應(yīng)力;通過局部加熱法、反變形法使局部剛度下降。

3.2? 采用合理的焊接程序，減少焊接殘余應(yīng)力

焊接工藝選用CO2氣體保護(hù)焊，焊接程序需堅(jiān)持的原則是優(yōu)先焊接不會(huì)對(duì)其他焊縫形成剛性約束的焊縫。合理的焊接程序?yàn)榭v橫構(gòu)架間的焊縫焊接→采取由內(nèi)到外的方式焊接船體外板、甲板的對(duì)接焊縫→構(gòu)架、船體外板、甲板的連續(xù)角的焊縫焊接。船體焊接所有焊縫以由中至左右，從船中至首尾，從下向上進(jìn)行對(duì)稱焊接[4]。焊接船體各個(gè)構(gòu)件時(shí)，優(yōu)先焊接具有較大收縮量的焊縫;低溫環(huán)境下，先將接縫預(yù)熱烘干后再進(jìn)行焊接，倘若多層焊接無法一次完成，需要通過保溫緩冷的方式來降低焊接殘余應(yīng)力。

3.3? 消除焊接殘余應(yīng)力

3.3.1? 溫差拉伸法

溫差拉伸法主要應(yīng)用于對(duì)建造精度有較高要求或受載荷較大的結(jié)構(gòu)。在船體分段制造階段、總段裝配階段局部采用溫差拉伸法：焊縫兩側(cè)均使用一個(gè)寬度適宜的氧-乙炔焰加熱，同時(shí)距離焰炬后方特定處噴水冷卻。操作者需做到噴水管與焰炬同步進(jìn)行，以較好的消除焊接殘余應(yīng)力。

3.3.2? 機(jī)械拉伸法

壓力容器類構(gòu)件應(yīng)用此法較為合適。沿焊接方向?qū)附咏Y(jié)構(gòu)加載（施加拉伸荷載），拉伸焊接壓縮塑性變形區(qū)，焊接區(qū)會(huì)有高拉伸殘余應(yīng)力，其周邊將產(chǎn)生拉伸塑性變形，焊接區(qū)拉伸殘余應(yīng)力在卸載后得以消除。所加載荷的大小決定了殘余應(yīng)力的消除量△σ，對(duì)足夠?qū)挵宓膶?duì)接接頭，△σ能夠根據(jù)下式計(jì)算：△σ=σ0-（σs-σ1），σ0，σs，σ1分別為外加應(yīng)力、材料屈服應(yīng)力以及接頭的拉伸殘余應(yīng)力。

3.3.3? 熱處理法

熱處理法通過對(duì)焊件局部（整體）進(jìn)行焊后熱處理，從而最大限度地消除焊接殘余應(yīng)力，主要應(yīng)用在船體建造部件裝焊階段，是一種有效且常用的方法[5]。但船體構(gòu)件熱處理產(chǎn)生的譬如可能改變船用高強(qiáng)度鋼的組織結(jié)構(gòu)，影響并惡化其性能等一些負(fù)面影響也需要注意。此外，作為一種非熱處理法，脈沖磁處理法可應(yīng)用于船體建造的各階段，能夠有效消除焊接殘余應(yīng)力。

4? ? 結(jié)語

綜上所述，船體構(gòu)件裝焊過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對(duì)船舶建造質(zhì)量及其使用性能造成的影響不可小覷，分析船舶焊接殘余應(yīng)力形成原因及其影響因素，從而針對(duì)船體不同建造階段采取能夠提高焊接質(zhì)量的改良方法，從而最大限度地減少甚至消除焊接殘余應(yīng)力，增加整個(gè)船體構(gòu)件的可靠性，保證船舶建造質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蘇智敏，薛丹丹.淺談船舶焊接殘余應(yīng)力的形成與控制[J].工程技術(shù)（全文版），2016（21）：319-320.

[2]韋智元.船體構(gòu)件切焊連續(xù)加工中的殘余應(yīng)力問題研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.

[3]趙晶，劉洋，劉海濤，等.淺析如何有效控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形及應(yīng)力[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（12）：159-160.

[4]蘭福貴，張晶，耿冬海.淺談控制船體焊接變形的方法[J].中國(guó)科技博覽，2015（25）：310.

[5]高立峰，李志國(guó)，羅夢(mèng)佳，等.焊接殘余應(yīng)力的模擬和控制消除的相關(guān)問題研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（6）：117-118.

Abstract：The residual stress in the hull structure welding can lead to the decline of the performance of hull welded structural parts and make it difficult to control the hull manufacturing accuracy， which has a great impact on the shipbuilding quality. The complicated shape and large size of the hull structure make it difficult to deal with residual stress. This paper based on the description of the reason of the residual stress， the affections of the residual stress in the hull structure caused by welding were analyzed， and the targeted control measures were proposed， according to the welding characteristics of hull structure at different stages， aiming at minimizing or releasing the residual stress.

Key words：hull structure; welding residual stress; cause of formation; affections; stress releasing