船舶焊接變形的形成與控制分析

甄詠鵬，鄒濤

（南通泰勝藍(lán)島海洋工程有限公司，江蘇 南通 226200）

大量鋼結(jié)構(gòu)被用于現(xiàn)代化的造船領(lǐng)域中，焊接是鋼結(jié)構(gòu)拼裝時常用的工藝。焊接工藝用于船舶焊接中對其技術(shù)提出較高要求，若焊接接頭出現(xiàn)了變形問題，則會對船體構(gòu)件的強度與韌性均形成不同程度的影響，最后造成整個船體制造質(zhì)量跌落。從宏觀上，焊接變形包括橫縱向收縮、彎曲、角變形等幾種，為焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造活動中發(fā)生率最高的質(zhì)量缺陷問題之一，多種因素影響船舶焊接質(zhì)量，作用于焊接變形問題的產(chǎn)生過程，積極探究焊接變形問題成因及相關(guān)控制方法具有重要現(xiàn)實意義。

1 船舶焊接工藝的現(xiàn)狀分析

1.1 焊接新工藝

近些年，越來越多的新焊接工藝 被用于國內(nèi)大型船廠內(nèi)，單面焊雙面成型、焊接自動化等均是典范，其目的主要是提升焊接生產(chǎn)效率。在焊接船臺或船塢大合攏環(huán)節(jié)中，為使最后的焊接質(zhì)量得到更大保障，推薦采用C02氣電垂直自動焊去處理部分平直接縫結(jié)構(gòu)。

1.2 焊接設(shè)備

伴隨焊接工藝的發(fā)展進(jìn)步，焊接設(shè)備裝置也有很大改善。很多船廠生產(chǎn)活動中積極采用C02氣保護(hù)焊機，其有助于減少焊材的投用量、壓縮人工成本及提升焊接工效，且對焊接工藝創(chuàng)新發(fā)展過程也起到一定促進(jìn)作用。

1.3 焊材

在我國船舶工業(yè)持續(xù)發(fā)展過程中，其對焊材質(zhì)量與性能等提出更多、更高的要求。當(dāng)下船舶建造領(lǐng)域中常用的焊材有普通焊條、C02氣體保護(hù)焊絲、埋弧焊材等。

2 對船舶焊接變形形成影響的主要因素

2.1 焊接方式及工藝參數(shù)

在現(xiàn)實生產(chǎn)中，焊接方式不同時形成的收縮量也有差異。若船體焊件厚度大體等同時，單層焊接在縱向上形成的收縮量大于橫向，這主要是由于焊接操作時，先進(jìn)行焊接處理的部位冷卻對后期焊接部位的收縮性形成一定抑制作用。和直通焊接相比較，逐步焊接下的收縮性偏下，主要是由于后種焊接方式能更好的維持焊接溫度的均勻性，故而其形成的壓縮性形更具分散化特征。焊接工藝參數(shù)的設(shè)置情況主要影響著線性的能量，大部分工況下伴隨能量增加過程壓縮性的形變量也出現(xiàn)增長，故而可能會形成加大的收縮量。

2.2 焊縫長度與橫截面積

一般狀況下，在構(gòu)件縱向上伴隨焊縫現(xiàn)實長度的增加焊縫的收縮量會提升，在橫向上焊縫收縮量增減和焊縫寬度值大小存在正比例關(guān)系，橫向上焊接板厚、接口樣態(tài)等均影響著收縮性。在人工焊接階段，收縮量上升和鋼板厚度增加過程相伴隨，而在進(jìn)行自動化焊接階段會形成顯著區(qū)別：在鋼板厚度等同時，和X型坡口相比較，V型坡口的收縮量相對較大。

2.3 焊縫的位置

焊縫設(shè)置的部位對焊接形變形成的影響偏大，若焊縫在結(jié)構(gòu)中心線上對稱布設(shè)，那么此時其形成的形變較為單一，只是在縱、橫向上發(fā)生短縮；若焊縫的現(xiàn)實部位與結(jié)構(gòu)中心發(fā)生不對稱情況時，不僅會在縱橫向發(fā)生短縮，也會發(fā)生彎曲變形情況。

3 控制船舶焊接變形的對策方法

3.1 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計情況不僅要符合船舶使用性能和強度要求，還需要盡量滿足船舶制造階段焊材用量最小、耗用工時最短、焊接變形最小等要求。也要依照依照焊接特征去完善設(shè)計，進(jìn)一步減少焊接變形，要求主要有：（1）在保證鋼構(gòu)件強度達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上，盡量縮小焊縫截面積；（2）采用簡易式裝配焊擻臺架完成裝配；（3）對船體采用分段建造法，一方面有助于減少船臺作業(yè)量，另一方面能更為準(zhǔn)確的調(diào)控船體焊接變形整體狀況；（4）把焊縫設(shè)置數(shù)目降至最少；（5）焊縫應(yīng)朝著結(jié)構(gòu)中心線靠攏，或者對稱分布，有助于減少或規(guī)避彎曲變形問題。

3.2 確保焊接參數(shù)精確

焊接參數(shù)設(shè)置情況是影響鋼構(gòu)件焊接質(zhì)量的主要因素之一，焊接電流量、速度、電壓量等均是焊接施工階段的常見參數(shù)類型，均需加強對其的管理控制。比如，在控制焊接電流量參數(shù)時，應(yīng)參照現(xiàn)實焊接狀況進(jìn)行設(shè)置，需要考慮到的因素有焊接構(gòu)件厚度、焊接接頭形狀、焊接層次規(guī)劃、焊條長度、焊接具體部位等諸多因素，其中后3個參數(shù)應(yīng)被設(shè)定為重點控制對象，因其直接影響著焊接變形情況的發(fā)生、發(fā)展過程，因此，只有將焊接參數(shù)調(diào)控在適宜的范疇中，方能更有效的減少與規(guī)避焊接變形情況。針對焊接速度參數(shù)的控制，具體施工階段，工作人員的操作速度不能過快也不可過于緩慢，這主要是因為焊接過程慢速推進(jìn)時，將會拓展焊料的受熱面積，造成相應(yīng)晶粒體積擴增，最后增加變形范疇；而當(dāng)焊接過于快速時，則很難確保焊縫焊接和熔合的完全性，焊縫的成型效果也很難得到保障。針對焊接電壓量的控制，確保其能準(zhǔn)確設(shè)置即可。大部分船舶焊接實踐中，參數(shù)設(shè)置情況如下：電流≤600A時，電壓(20+0.04)V；如若電流＞600A時，電壓參數(shù)應(yīng)位44V。

3.3 船舶的建造工藝

縱觀船舶的建造工藝，預(yù)留收縮余量、剛性固定與反變形法是業(yè)內(nèi)控制焊接變形問題的常用方法。焊接變形控制階段經(jīng)常采用如下兩種方法彌補設(shè)計方面存在的缺陷，即船體的彎曲反變形與尺寸變形。針對彎曲反變形，可以采用反變形量去消除，具體操作方法可以做出如下闡述：將反變形量施加到船體胎上方，各檔肋距以1.Omm左右為宜。針對船舶全尺寸收縮變形問題，通常應(yīng)用加放焊接收縮量的方法便能順利處理，等同于使用預(yù)留收縮余量進(jìn)行彌補。分段式生產(chǎn)制造階段，明確要求工作人員一定要科學(xué)設(shè)置預(yù)留收縮量，依照相關(guān)公式估算出量值具體大小，生產(chǎn)中通過合理設(shè)置余量能夠有效彌補焊以后尺寸收縮的問題，鋼構(gòu)件橫向、縱向收縮量設(shè)置情況，每檔加放焊接收縮量通常分別以0.5mm、1.0mm為宜。積極落實以上兩種補償式控制設(shè)計方法，能夠較有效的抵除除船舶建造階段形成的變形情況。反變形及剛性固定法均是船舶制造工業(yè)中最佳的焊接工法過程中最佳焊接工藝，前種工法是指于船體正式裝配焊接前，賦予船體構(gòu)件或者某個分段一個反變形值，施加的變形值要大于船體分段焊接以后形成的變形范疇，同時采用變形的逆向進(jìn)行設(shè)置，以上操作遵照的原理是消除構(gòu)件焊接以后形成的變形，從而間接抵消船體分段變形，或者把其分段變形程度降至最低。剛性固定法在船體裝配焊接領(lǐng)域中較高的適用性，近些年其應(yīng)用范疇也有不斷拓展趨勢，是當(dāng)下船舶施工階段控制變形問題的常用工法之一，把焊接構(gòu)件全部焊縫（冷卻到室溫時）進(jìn)行剛性固定形式剔除，借此方式去減縮自由狀態(tài)工況下焊接變形范疇。各種直線或弧線的拉馬、臨時性電焊加強角鐵、胎架螺栓銜接、分段周邊固定定位焊均是較為成熟的剛性固定法。在現(xiàn)實應(yīng)用期間應(yīng)予以如下幾點問題一定重視：一是選用適宜的焊接工藝，并科學(xué)設(shè)置焊接先后次序，小線能量焊接為主；二是用自動焊接將人工手動焊接取而代之；三是要在無裝配應(yīng)力強制的工況下裝配船體。

3.4 散熱法與回火法

可以把散熱物體安放在焊接位置周邊，借此方式幫助被焊接部件能在較短時間內(nèi)冷卻至室溫，進(jìn)而削弱熱影響區(qū)形成的作用效果，同步減小了熱影響區(qū)與船體變形范圍，以上便是業(yè)內(nèi)廣為人知的散熱法，也被叫做強迫冷卻法，采用該種工法控制焊接變形問題時，應(yīng)聯(lián)合采用其他措施方法去規(guī)避淬火傾向偏大的狀況，這樣就不會因存有冷淬而出現(xiàn)裂紋。回火法實質(zhì)上就是把焊接成型的部件整體安放到爐內(nèi)，采用20～60℃升溫速度進(jìn)行加熱處理，而后在適宜時間段內(nèi)保溫，出爐時加強其溫度指標(biāo)的控制，力爭使其溫度降到50～60℃區(qū)間內(nèi)，該種方法在防止焊接變形或者裂痕問題方面表現(xiàn)出良好效能。

4 結(jié)語

船舶建造階段產(chǎn)生的焊接變形問題，是導(dǎo)致船舶運行階段出現(xiàn)故障、降低船舶制造精度的主要因素之一，對整個造船工程安穩(wěn)性形成的影響也是不可忽視的。因此，生產(chǎn)實踐中相關(guān)人員應(yīng)高度重視焊接變形問題，積極分析其成因，采用適宜的方法加以控制，進(jìn)而促進(jìn)我國船舶制造工業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展。