船舶焊接變形分析與控制

曹龍

摘要：在船舶制造中，焊接是必不可少的加工技術(shù)，焊接質(zhì)量對(duì)船舶制造質(zhì)量有決定性的影響;而在具體焊接環(huán)節(jié)，焊接變形最難掌控。焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)性能有極大的影響，其不但會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸精準(zhǔn)度降低、形狀發(fā)生變化、承載力下降;與此同時(shí)，在荷載影響下造成的應(yīng)力集中、附加彎矩問題會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度大幅下降。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu);焊接變形;矯正

1船舶制造中的現(xiàn)代焊接工藝

目前，在船舶焊接中，各類現(xiàn)代焊接工藝都有著廣泛的應(yīng)用，如壓焊、熔焊等。壓焊主要是向被焊接物施加壓力以完成焊接操作，常用的類型有氣壓焊、摩擦焊、爆炸焊等;熔焊主要是對(duì)被焊接物的接頭部位進(jìn)行高溫處理直到完全熔化，且不可利用外力?，F(xiàn)階段，在船舶制造過程中，鋼板是使用最多的材料，因此應(yīng)根據(jù)鋼板材料和厚度的不同，選用適宜的焊接工藝。

2船舶焊接變形分析與控制

2.1焊接方式與焊接工藝參數(shù)

焊接厚度基本相同的材料時(shí)，分別使用單層焊接和多層焊接，前者在縱向形成的收縮量相較于后者更大。因?yàn)樵谑褂枚鄬雍附訒r(shí)，先行焊接的部位先冷卻，對(duì)后期焊接部位的收縮起到了抑制作用。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用不同類型的焊接方式，產(chǎn)生的收縮量會(huì)有很大的差異。同樣，比較直通焊接和逐步焊接，由于逐步焊接過程中能夠保持較為均勻的焊接溫度，其形成的壓縮變形更為分散，產(chǎn)生的收縮更小。另外，線性的能量是焊接工藝參數(shù)中對(duì)焊接變形產(chǎn)生影響的主要來源。焊接電流和電弧電壓的增大和焊接速度的降低都會(huì)導(dǎo)致線能量增加，則塑性變形區(qū)域的壓縮力增大，塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，實(shí)際產(chǎn)生的收縮量即隨之更大。

2.2進(jìn)一步優(yōu)化焊接程序

1）預(yù)伸縮。針對(duì)大型船體結(jié)構(gòu)展開的焊接作業(yè)，需要由中間向周圍擴(kuò)散、對(duì)稱施焊。比如：在對(duì)工字梁進(jìn)行焊接的過程中，不管是先焊接腹板接頭還是先焊接面板，橫向收縮都會(huì)在角焊縫中形成極大的應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂縫;因此，需采取有效方式以確保其可以自由收縮。對(duì)于此問題，可將角焊縫留出部分位置、而后再進(jìn)行焊接作業(yè)，從而確保接頭可以自由實(shí)現(xiàn)橫向收縮。如圖2所示：先對(duì)“焊縫1”進(jìn)行焊接，再對(duì)“焊縫2”進(jìn)行焊接。2）先對(duì)收縮量較大的焊縫進(jìn)行焊接。對(duì)于帶筋板的工字梁，應(yīng)先對(duì)腹板與面板實(shí)施焊接，而后對(duì)筋板角焊縫實(shí)施焊接，因?yàn)榻呛缚p有較大的橫向收縮，則會(huì)在腹板與面板的角焊縫中產(chǎn)生極大的焊接應(yīng)力。首先，對(duì)焊蓋板的“對(duì)接焊縫1”進(jìn)行焊接;其次，對(duì)工字梁和焊蓋板間的“角焊縫2”進(jìn)行焊接。3）應(yīng)用對(duì)稱焊接方法。針對(duì)斷面對(duì)稱且剛性較大的工件，在焊接過程中采取對(duì)稱的焊接工藝，此在控制構(gòu)件的彎曲變形方面有著極大的作用。對(duì)于對(duì)稱分布的焊縫，需采取雙數(shù)焊工對(duì)稱的形式實(shí)施焊接作業(yè)。4）根據(jù)焊縫選擇相應(yīng)的焊接方法。對(duì)于中長(zhǎng)焊縫（0.5～1m）的焊接，可選擇分中對(duì)稱焊法;對(duì)于長(zhǎng)焊縫（≥1m）的焊接，可選擇分中分段退焊法、分段退焊法、交替焊法以及跳焊法等。

2.3焊前預(yù)熱

所謂焊前預(yù)熱，一方面是采取對(duì)材料提前進(jìn)行預(yù)熱的方法來實(shí)現(xiàn)減少焊接變形的目的，其原理是由于焊接前的材料溫度提高，焊接時(shí)的溫度梯度被進(jìn)一步降低，使得焊接變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力減小。而另一方面是提前預(yù)測(cè)焊接變形的大小和方向，以此為依據(jù)在焊接之前人為造成與預(yù)測(cè)的焊接變形結(jié)果相反的變形，使其與而后進(jìn)行的焊接過程產(chǎn)生的變形相互抵消，最終達(dá)到減小焊接變形的效果。在船廠實(shí)際施工中，經(jīng)常采用剛性固定法固定焊接構(gòu)件，從而控制變形。相比于自由狀態(tài)下的焊接，通過這種剛性固定焊接方法，焊接所產(chǎn)生的局部變形減小。因此，各種形式的剛性固定法被廣泛使用于船體裝配各類構(gòu)件的焊接之中。如臨時(shí)加強(qiáng)筋板，臨時(shí)點(diǎn)焊加強(qiáng)角鐵，分段四周定位焊，船體分段和胎架螺栓連接，各種直線拉馬和弧形拉馬等。

2.4科學(xué)利用新型焊接工藝

現(xiàn)階段，在船舶制造中選用的焊接材料大致相同，這會(huì)對(duì)船舶的焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在船舶制造過程中，由于各生產(chǎn)廠家的需求不同，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和所需的材料也有所不同。在此背景下，船舶制造模式也在不斷發(fā)展變化，且對(duì)船舶焊接工藝產(chǎn)生了極大的影響，相關(guān)行業(yè)對(duì)其個(gè)性化和定制化也有了更高的要求。因此，要想改進(jìn)船舶制造焊接的方式，則應(yīng)科學(xué)利用新型焊接工藝。目前，國(guó)內(nèi)船舶生產(chǎn)廠家已廣泛使用平面分段焊接的流水線，且配備有對(duì)應(yīng)的新設(shè)施及新工藝，自動(dòng)化水平顯著提升，船舶焊接效率有較大幅度的提高。

2.5合理利用剛性固定法

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)焊接的具體狀況，在針對(duì)焊接變形量進(jìn)行控制時(shí)，剛性固定法是十分重要的焊接方式，可有效處理好焊接變形現(xiàn)象，從而使得焊接過程中的變形控制實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。對(duì)于剛性固定法的合理利用，應(yīng)該將工件安裝于具備剛性極強(qiáng)的胎架又或是平臺(tái)上。在工件全部焊接完成冷卻后，再將剛性固定去除。對(duì)于沒有反變形的狀況，采取此類方式有利于得到更好效果，適用于整個(gè)船體的焊接作業(yè)。通過對(duì)此種方法，可有效控制工件變形，大幅減少工件的變形量，防止在自由狀態(tài)下開展焊接作業(yè)而導(dǎo)致焊接質(zhì)量整體較差且出現(xiàn)較大變形量的問題。所以，應(yīng)用合理、高效的變形量控制手段，同時(shí)按照變形量的相應(yīng)特征以及變形量產(chǎn)生的實(shí)際因素加以控制，在波浪變形與角變形的控制方面起到著極其重要的作用;并且，還可以大幅提升船體焊接變形控制的效果。所以，需要按照船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，結(jié)合船體焊接需求及所采取的焊接技術(shù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)焊接變形實(shí)施高效的矯正，有利于提高船體結(jié)構(gòu)焊接效率及質(zhì)量，從而確保船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

結(jié)語

焊接變形對(duì)船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著極大的不利影響，當(dāng)前在船體焊接過程中常見的變形類型主要有局部變形與整體變形等。目前，在船舶制造過程中，通常使用經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法、熱彈塑性有限元法等對(duì)焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)焊接時(shí)發(fā)生的變形問題，應(yīng)通過進(jìn)一步優(yōu)化焊接程序、合理利用剛性固定法、火工矯正法和反變形法等措施，以及時(shí)矯正結(jié)構(gòu)變形。

參考文獻(xiàn)

[1]石金雷，鞠理?yè)P(yáng)，周宏，等.三角板扶強(qiáng)材對(duì)船體結(jié)構(gòu)焊接變形的影響和控制研究[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2020，（02）：33-41.