影響船體焊接結構件殘余應力的因素及消除分析

程若玲 邢一鳴

摘要：焊接技術是船舶制造行業(yè)的主要生產(chǎn)技術之一，在生產(chǎn)船舶時每一道工序都需要應用該技術?；诖?，本文著眼于船舶生產(chǎn)環(huán)節(jié)應用的焊接結構件，對其使用情況進行了簡要分析，還闡述了船體焊接結構件的殘余應力影響因素，并論述了消除焊接結構件殘余應力的方法，希望能為相關工作人員帶來參考。

關鍵詞：船舶制造;焊接結構件;焊接技術;殘余應力

0前言

船體焊接結構件是建造船舶的重要工具，但是在其使用環(huán)節(jié)卻極容易出現(xiàn)殘余應力，這將會對焊接工作的開展質(zhì)量和船體結構穩(wěn)定性產(chǎn)生深刻影響。為此，相關工作人員應該在實踐作業(yè)環(huán)節(jié)深入研究船體焊接結構件的殘余應力影響原因，并基于其成因和影響因素找到解決這一問題的方法，為提高船舶生產(chǎn)質(zhì)量奠定基礎。

1船體焊接情況概述

從本質(zhì)上來說，船舶屬于大型焊接結構，制造船體時需要使用大量焊接結構件，它們的主要由焊接接頭構成，在每一道工序之中都能得到廣泛應用。對于船舶結構焊接工作人員而言，可選用焊接工藝、焊接控制技術、焊接材料是保障工作有效性的關鍵。目前，在船體焊接結構件的應用過程中，常常出現(xiàn)殘余應力問題，這一問題嚴重影響了船體焊接結構件的使用性能，導致其強度以及韌性下降，加劇了船體生產(chǎn)的質(zhì)量風險[1]。在實踐中，因船體焊接結構件殘余應力而導致的焊接結構裂縫或斷裂問題并不少見。

2殘余應力成因和影響因素

2.1? 焊接結構殘余應力成因

在船舶制造環(huán)節(jié)，船體結構焊接工作的開展需要經(jīng)歷標準流程，而最為重要的開展方式就是金屬局部加熱。在應用這種方法時，焊接結構件將出現(xiàn)溫度分布不均問題，焊縫的周邊區(qū)域和金屬都將經(jīng)歷熱循環(huán)，在熱脹冷縮的作用下金屬會呈現(xiàn)強約束狀態(tài)，最終會引發(fā)船舶焊接結構出現(xiàn)殘余應力。目前，船體焊接結構件的殘余應力主要有兩種類型：

（1）???? 因自平衡而產(chǎn)生的殘余應力。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，船體焊接結構件的內(nèi)部區(qū)域眾多，當出現(xiàn)區(qū)域間自平衡時會產(chǎn)生殘余應力。在實踐中，大部分的船體焊接結構件殘余應力都源自于此。而且，當出現(xiàn)焊接接頭加熱過度不均或彈塑性變形時，十分容易產(chǎn)生殘余應力。

（2）???? 因缺陷而產(chǎn)生的殘余應力。船體結構由多個焊接件組合而成，而在其焊接過程中極容易出現(xiàn)參數(shù)不合理問題。比如，焊接結構件尺寸不規(guī)范，裝配尺寸不融洽。這種不合理，會嚴重影響裝配工作質(zhì)量和精度，因此類型缺陷而產(chǎn)生的殘余應力也會為船體焊接工作的正常開展帶來挑戰(zhàn)。

2.2? 影響因素

雖然，在上文中我們對船體焊接結構的殘余應力成因進行了闡述，但是殘余應力并非只受到上述兩種因素的影響，在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，船體焊接結構殘余應力的影響具有多樣性的特征。

2.2.1????? 溫度影響因素

在船體結構當中，不同區(qū)域的焊接溫度要求不同，這也就使得焊接工作的開展存在溫度差異性。而這種差異性會導致船體焊接結構因熱度分布不均而出現(xiàn)膨脹量差異。金屬受熱會出現(xiàn)膨脹，但在其冷卻以后將對膨脹部分進行約束，進而使其呈現(xiàn)熱脹冷縮的狀態(tài)，但當二者無法同步進行時，焊接結構就會出現(xiàn)變形，還會產(chǎn)生殘余應力。

2.2.2????? 剛性影響因素

船體焊接結構的剛性可以有效約束結構的自由膨脹能力，這種約束性將會引發(fā)結構接頭變形或使其內(nèi)部產(chǎn)生應力。在實踐中，焊接結構的剛性大小與殘余應力的產(chǎn)生幾率和大小息息相關。大部分情況下，船體由高強度鋼焊接而成，整體結構剛性大，其產(chǎn)生的焊接殘余應力也相對較大。

2.2.3????? 尺寸影響因素

實際上，焊接結構的殘余應力有三種類型，分別為橫向殘余應力、縱向殘余應力和板厚方向殘余應力。這三種殘余應力的產(chǎn)生和分布都與焊接結構的尺寸息息相關，所以在實踐中尺寸也是不容忽視的焊接結構殘余應力影響因素。

3船體焊接結構件殘余應力的消除方法

3.1? 優(yōu)化設計和工藝

科學的設計方案以及施工工藝是消除船體焊接結構件殘余應力的有效方法。在這一環(huán)節(jié)，相關工作人員應該合理選用焊接型材和焊接方法[2]。比如，優(yōu)先選用較薄的型材，以T形接頭代替十字接頭，應用剛性小的接頭形式等。在設計和施工環(huán)節(jié)，還應盡量避免出現(xiàn)多結構復雜連接，并保證焊縫布置合理。

3.2? 理順焊接程序

在實踐中，基于CO2保護焊，并保證優(yōu)先焊接的焊縫不能對其他焊縫產(chǎn)生剛性約束。焊接時，應基于中間、左右和中間、收尾的順序作業(yè)，并由下至上開展對稱焊接。在船體焊接結構件應用環(huán)節(jié)，施工人員需要優(yōu)先完成收縮量大的焊縫焊接工作。

3.3? 合理選用方法

除了對焊接設計方案和工作流程加以優(yōu)化，相關工作人員還應該根據(jù)實際需要選擇有效的殘余應力消除方法：

（1）???? 溫差拉伸法。此方法常用于高精度船舶制造工作，也可被應用在荷載大的船體焊接結構當中。在實踐中，溫差拉伸法可以用在船體分段制造裝配階段。焊接人員需要以氧- 乙炔焰加熱焊縫兩側，并同步完成噴水冷卻，進而達到消除殘余應力的目的。

（2）???? 機械拉伸法。這種方法適用于壓力容器類構件，應基于焊接方向加載，使得焊接區(qū)存在高拉伸殘余應力，并讓周邊出現(xiàn)拉伸塑性變形，那么在卸載以后焊接區(qū)的拉伸殘余應力將會被消除。此時，相關工作人員可以基于△σ=σ0-（σs-σ1）計算殘余應力消除量，其中以△σ表示結構殘余應力消除量，σ0表示外加應力，以σs表示材料屈服應力，以σ1表示接頭拉伸參與應力。

4結論

在船舶制造行業(yè)當中焊接結構件存在殘余應力的情況并不少見，其產(chǎn)生原因和影響因素較為多樣，可以對船舶制造質(zhì)量產(chǎn)生深刻影響。為了能消除殘余應力，相關工作人員應該在實踐中保障設計合理性、焊接科學性，并選用合理的殘余應力消除方法。

參考文獻：

[1]?? 趙健.影響船體焊接結構件殘余應力的因素及消除方法研究[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（01）：139-140.

[2]?? 王小博，張旭東，李昊丞.去應力退火對焊接結構件殘余應力與力學性能的影響與分析[J].航天制造技術，2019（05）：29-32.

作者簡介：

程若玲（1992年 12月），女，上海人，本科，助理工程師，船舶與海洋工程方向.