船體結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的形成與控制

鄒江平

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

現(xiàn)代船體結(jié)構(gòu)件的組合方式多采用焊接，焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法，在現(xiàn)代船舶工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，在焊接施工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生一定影響，應(yīng)采取有效控制措施以減小或消除焊接殘余應(yīng)力來(lái)提高船舶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。選擇合適的船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試方法是十分重要的。船體內(nèi)部殘余應(yīng)力會(huì)直接降低船體結(jié)構(gòu)的韌性和強(qiáng)度，并可能導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。采取有效的控制措施減少或消除焊接殘余載荷，對(duì)提高造船構(gòu)件的整體穩(wěn)定性、避免損傷船舶極限強(qiáng)度可靠性具有重要意義。本文對(duì)造成裝配、焊接殘余應(yīng)力的因素進(jìn)行分析，并根據(jù)船體各部位不同階段的焊接特點(diǎn)，提出相應(yīng)的控制措施，盡可能降低殘余應(yīng)力的影響。

1 船舶焊接殘余應(yīng)力分析

1.1 形成原因

在船舶金屬結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，大多數(shù)部件未進(jìn)行焊前預(yù)熱，這將導(dǎo)致焊接過(guò)程中構(gòu)件的溫度分布不均勻。焊縫中的熔敷金屬和焊縫周邊區(qū)域需要經(jīng)歷如下熱循環(huán)：加熱、熔化、凝固和冷卻。金屬在焊接過(guò)程中的熱膨脹和冷收縮受到很大的約束，存在2種類(lèi)型的焊接殘余應(yīng)力：1）結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的自平衡殘余應(yīng)力；2）在整個(gè)船舶建造過(guò)程中，由于尺寸不一的零件的強(qiáng)制裝配和安裝精度控制的缺失造成的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與焊接對(duì)象的不均勻受熱和彈塑性變形密切相關(guān)。

1.2 影響因素

在焊接過(guò)程中，焊接區(qū)域不同部位的溫度會(huì)有所不同，不均勻的溫度分布也會(huì)有不同的延伸。焊接區(qū)域周?chē)睦鋮s金屬會(huì)限制膨脹部分的收縮，使熱膨脹和冷收縮不能同步，這就導(dǎo)致了殘余應(yīng)力和構(gòu)件變形。焊接結(jié)構(gòu)的剛度限制了加熱（冷卻）過(guò)程中的自由膨脹（收縮）的程度，使得構(gòu)件在焊接連接中產(chǎn)生應(yīng)力和變形。高強(qiáng)度鋼主要用于主船體貨艙區(qū)，而船體分段結(jié)構(gòu)中存在大量的封閉焊縫，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力與剛度相互約束，在焊接過(guò)程中形成較大的殘余應(yīng)力且無(wú)法散盡。除此之外，焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置、方向、焊接方法也會(huì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生一定影響。焊接過(guò)程中殘余應(yīng)力的存在不僅降低了船體焊接結(jié)構(gòu)的性能，而且降低了船舶的整體強(qiáng)度，甚至?xí)斐赏话l(fā)性的脆性斷裂，如何盡可能地降低或消除船體零件裝配和焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力是一個(gè)重要的問(wèn)題。

2 殘余應(yīng)力的分類(lèi)

2.1 裝配殘余應(yīng)力

一些小型船廠沒(méi)有成套的冷成形設(shè)備，也不具備雙曲面外板成形加工技術(shù)。其在裝配過(guò)程中直接將構(gòu)件抬起，并強(qiáng)制用千斤頂推到位，類(lèi)似野蠻施工將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件彈性邊界的應(yīng)力過(guò)大。此外，由于受到工裝工藝能力的限制，裝配零件的精準(zhǔn)度仍存在很大的問(wèn)題。裝配過(guò)程中構(gòu)件邊界應(yīng)力隱含其中，難以釋放，這會(huì)導(dǎo)致彈性變形過(guò)大、船體結(jié)構(gòu)剛度不足、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、滲漏、振動(dòng)和裂紋等問(wèn)題。構(gòu)件在裝配過(guò)程中對(duì)局部應(yīng)力是有所要求的，應(yīng)力超出允許范圍則會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)異常、船舶疲勞程度加快、裂紋產(chǎn)生加快，甚至可能造成在極端惡劣的海況下出現(xiàn)船體斷裂這種無(wú)法挽回的后果。

2.2 焊接殘余應(yīng)力

船舶構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力主要是在焊接過(guò)程中船體構(gòu)件局部受熱不均造成的。在焊接過(guò)程中，加熱區(qū)域小，溫度變化幅度大。焊縫金屬急速熱脹冷縮，而焊接接頭處的結(jié)構(gòu)剛性約束了焊縫變形，導(dǎo)致焊接接頭的組織發(fā)生變化，熱應(yīng)力超過(guò)彈性極限，最終導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力殘留。因此，對(duì)船體高強(qiáng)度鋼及鑄鋼件等構(gòu)件進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后保溫是一種針對(duì)殘余應(yīng)力控制的積極預(yù)案。

3 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

將船體結(jié)構(gòu)按其特點(diǎn)分為6類(lèi)：甲板與平臺(tái)、船體外板、艙壁與實(shí)肋板、縱向骨材、舷側(cè)肋骨、支柱，在每一類(lèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)將各點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)按照從大到小排序。設(shè)置參考距離，將收縮高應(yīng)力區(qū)域作為高應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

根據(jù)3.1小節(jié)所述方法選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置基本是海況下船體結(jié)構(gòu)最敏感的部位。然而，船舶遇到極劣波向和頻率組合的概率相對(duì)較低，在大多數(shù)情況下，船會(huì)遇到不同程度的海況，如果海況數(shù)據(jù)不完整，按照傳統(tǒng)方法選擇的位置就不全面。根據(jù)加權(quán)平均值選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用反應(yīng)函數(shù)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是，該方法需基于以下2個(gè)假設(shè)：1）船舶遭遇的浪向符合均勻分布，速度對(duì)直線度的影響不大，船舶接收波的方向可視為近似均勻分布；2）相應(yīng)的權(quán)函數(shù)僅取決于船舶的載荷條件和遭遇頻率，裝載條件的時(shí)間分布系數(shù)可根據(jù)船舶的實(shí)際位置或有關(guān)規(guī)范確定。

因此，以船舶航區(qū)波譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算每種應(yīng)力產(chǎn)生的概率，以發(fā)生概率與各船體結(jié)構(gòu)工況分布系數(shù)作為權(quán)重，采用加權(quán)平均值進(jìn)行應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上選擇船體應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)。

4 殘余應(yīng)力的控制

4.1 裝配過(guò)程控制

超差現(xiàn)象是裝配過(guò)程中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。如果超出公差的零件在焊前未經(jīng)適當(dāng)處理就直接強(qiáng)行裝配焊接，構(gòu)件的應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生變化，承受負(fù)荷能力減弱，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受損。在外力的作用下，超差現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生額外的彎矩，可能會(huì)導(dǎo)致焊接根部斷裂，應(yīng)盡可能把控接頭的焊接量，將焊縫根部間隙控制在允許范圍內(nèi)。如果焊縫的間隙較大，但仍在超差范圍之內(nèi)，可先在坡口斜面進(jìn)行適當(dāng)焊接長(zhǎng)肉，當(dāng)間隙達(dá)到要求時(shí)再進(jìn)行焊接；若接頭間隙超過(guò)規(guī)定范圍，則需要進(jìn)行局部板材更換，當(dāng)分段合龍或構(gòu)件局部換補(bǔ)時(shí)，需割開(kāi)原始焊縫并延伸一小段；當(dāng)構(gòu)件的對(duì)接誤差或橫截面的偏差量超過(guò)規(guī)范要求時(shí)，必須更換或重新組裝。

4.2 焊接工藝控制

由于船舶建造過(guò)程較為復(fù)雜，有必要采取相應(yīng)措施以減少殘余應(yīng)力。根據(jù)不同階段裝配和焊接的特點(diǎn)采取有針對(duì)性的措施以降低殘余應(yīng)力。在造船周期中，多種因素均會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力殘留（主要是焊接應(yīng)力殘留），消除或盡可能地減小所有船體焊接部件的殘余應(yīng)力是一項(xiàng)重要的任務(wù)。一般而言，所有船體結(jié)構(gòu)部件在裝配過(guò)程中應(yīng)保持尺寸正確，焊縫間隙均勻。裝配不符合圖紙、標(biāo)準(zhǔn)及工藝要求的部件或分段不能進(jìn)行下一步的焊接工作。對(duì)裝配達(dá)標(biāo)的結(jié)構(gòu)部件或分段施焊時(shí)，原則上應(yīng)按由中央向左右、前后的順序進(jìn)行。對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)部件則應(yīng)安排偶數(shù)焊工同時(shí)從中間往兩側(cè)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)焊接；非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊縫所處的船體結(jié)構(gòu)中的位置，從靠近結(jié)構(gòu)中央的一端往邊緣一端施焊或從焊縫中點(diǎn)向兩端施焊。使用手工焊、CO焊來(lái)進(jìn)行相對(duì)較長(zhǎng)焊縫的焊接時(shí)，應(yīng)采用跳焊法、分段退焊法或分中分段退焊法。立向下焊接時(shí)則應(yīng)采用直通焊。當(dāng)多層焊時(shí)，每層焊道的焊接方向需一致，各層的焊接方向可以相反，每層焊道的接頭應(yīng)盡量相互錯(cuò)開(kāi)約30 mm。當(dāng)結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在對(duì)接焊縫與角焊縫時(shí)，應(yīng)先焊對(duì)接焊縫，再焊角焊縫；而同時(shí)存在立角焊縫與平角焊縫時(shí)，則應(yīng)先焊接立角焊縫，再焊平角焊縫。

對(duì)船體焊接工藝的控制能夠減少船體殘留應(yīng)力的影響，有效降低船舶的高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 精度管理

在整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，零件加工、板架制作、分段拼裝、總段預(yù)合龍、船臺(tái)搭載等一系列工序造成的建造尺寸累計(jì)誤差是不可避免的。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中就應(yīng)考慮對(duì)各種偏差和誤差進(jìn)行控制，包括起重駁運(yùn)變形和長(zhǎng)期擺放變形誤差。精度控制就是要清晰地把控每道工序的精度?，F(xiàn)代造船的船體零件一般通過(guò)軟件建模進(jìn)行套料，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加放適當(dāng)?shù)氖湛s余量，在裝配前及焊后對(duì)其進(jìn)行精度測(cè)量并必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在裝配過(guò)程中，安裝任何船體零件都需要進(jìn)行測(cè)量劃線與精度驗(yàn)證，這種測(cè)量不僅可以有效地控制結(jié)構(gòu)的精度，同時(shí)也能有效減少整個(gè)建造過(guò)程中的內(nèi)部殘余應(yīng)力。因此，各工序的殘余應(yīng)力和變形應(yīng)在相應(yīng)環(huán)節(jié)及時(shí)消除，避免累積。

4.4 溫差法和敲擊法消除焊接殘余應(yīng)力

使用溫差法消除殘余應(yīng)力時(shí)需要利用氧乙炔槍在焊縫兩側(cè)一個(gè)適當(dāng)?shù)膶挾确秶鷥?nèi)進(jìn)行加熱，在氧乙炔槍加熱之后的一定距離，用水管?chē)娝瑢⒀跻胰矘尯退芤源笾孪嗤俣认蚯耙苿?dòng)，利用熱脹冷縮的原理來(lái)抵消構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力。利用傳統(tǒng)的錘擊法也可消除內(nèi)部焊接應(yīng)力，在局部構(gòu)件焊接完成后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區(qū)域，使金屬內(nèi)部應(yīng)力釋放，能有效地減少焊接應(yīng)力殘留。據(jù)測(cè)定，利用錘擊法可使殘余應(yīng)力減少約 1/4，如后期對(duì)焊縫進(jìn)行規(guī)范打磨，效果將會(huì)更好。

5 結(jié)論

在船舶建造的不同階段，船體部件在裝配和焊接過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生或大或小的殘余應(yīng)力，這部分取決于施工者的業(yè)務(wù)素質(zhì)和工作態(tài)度。本文針對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的形成與控制進(jìn)行介紹與分析，詳細(xì)闡述了殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因和具體應(yīng)對(duì)方法，對(duì)船舶的質(zhì)量和性能的提高有著重要的意義。