船舶焊接變形與控制策略分析

王 軍

（滁州市地方海事（港航）管理服務(wù)中心，安徽 滁州 239000）

0 引言

船舶焊接變形的產(chǎn)生是影響船舶質(zhì)量的主要因素，而焊接變形的產(chǎn)生又受到多方面因素的綜合影響。船體截面的焊接變形不僅會(huì)降低裝配和焊接質(zhì)量，影響結(jié)構(gòu)的承載能力，而且在外載作用下會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而弱化結(jié)構(gòu)的安全性。焊接變形會(huì)對(duì)裝配和焊接產(chǎn)生嚴(yán)重影響，隨著焊接過程的不斷積累，生成的管片會(huì)與初始設(shè)計(jì)尺寸不匹配，在管片關(guān)閉階段需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行手工校正和鏟子切割。因此，控制船體結(jié)構(gòu)的變形對(duì)提高造船效率具有重要意義。不同的裝配和焊接順序會(huì)改變分段裝配階段的焊件形狀，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，影響焊接變形的力學(xué)過程。所以，有必要對(duì)分段制造各工序的焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確定不同裝配和焊接順序與最終焊接變形之間的關(guān)系，從而制定出最佳的生產(chǎn)工藝?；诖耍斜匾獙?duì)其展開更為深入的探究。

1 焊接變形的基本形式

在對(duì)船舶展開焊接工作的過程中，若是發(fā)現(xiàn)其焊件在形狀以及尺寸方面出現(xiàn)變化，則代表著其構(gòu)件同樣存在變化，這種受到焊接影響所出現(xiàn)的變形問題便是焊接變形。在焊接工作完成并且構(gòu)件完全冷卻后，其最終呈現(xiàn)出的變形便是殘余變形。針對(duì)船舶焊接工作而言，在施工的過程中不可避免地會(huì)遇到多樣化的變形形式。在局部以及不均勻循環(huán)快速加熱的影響下，焊件會(huì)出現(xiàn)熱壓縮塑性應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，這是出現(xiàn)焊接變形的主要原因。在實(shí)際進(jìn)行焊接時(shí)以及焊接完成后，均會(huì)出現(xiàn)一定的變形現(xiàn)象，從焊縫收縮作用力自身位置和方向的實(shí)際情況來看，可以將焊接變形劃分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形以及扭曲變形。具體為：1）收縮變形主要指焊件整體縮小的情況，焊縫的橫向以及豎向收縮都是收縮變形的一種；2）角變形主要指由于焊縫截面的上下存在不對(duì)稱的現(xiàn)象，或者其受熱欠缺均勻性，所導(dǎo)致的焊縫收縮不對(duì)稱，進(jìn)而產(chǎn)生一定的變形問題，在V形坡口以及角接接頭的位置有極大可能性會(huì)出現(xiàn)角變形問題；3）彎曲變形主要指其焊縫在結(jié)構(gòu)分布方面的不對(duì)稱問題，造成其焊縫縱向收縮存在著不一致，進(jìn)而使得焊件整體開始向某一側(cè)彎曲；4）波浪邊形指在對(duì)船舶薄板進(jìn)行焊接時(shí)，焊接所產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)在某種程度上影響薄板自身的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)波浪變形問題[1]；5）扭曲變形的產(chǎn)生則直接受到焊縫位置、施焊方向以及焊接順序等方面的影響，若是上述操作不合理便會(huì)增加其出現(xiàn)扭曲變形的可能性。

2 船舶焊接變形的主要影響因素及焊接變形控制措施

2.1 主要影響因素

1）材料

從實(shí)際情況來看，焊接材料自身所具有的機(jī)械性能以及物理屬性將會(huì)在極大程度上影響焊接變形的情況。從物理屬性的角度看，熱導(dǎo)率直接關(guān)系到焊接變形的大小，通常情況下，在熱導(dǎo)率不斷減小的過程中其溫度梯度會(huì)隨時(shí)增加，進(jìn)而增大材料出現(xiàn)焊接變形的可能性。從機(jī)械性能的角度來看，材料熱膨脹系數(shù)直接關(guān)系到材料自身的變形量。對(duì)于焊接變形來說，材料的受熱膨脹是對(duì)其影響較大的因素之一，與此同時(shí)，材料的屈服極限以及彈性模量等同樣會(huì)對(duì)焊接變形造成一定的影響。當(dāng)處在高溫狀態(tài)時(shí)，若是其彈性模量相對(duì)較大，那么其焊接變形便會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)較小的特點(diǎn)。如果其有著較高的屈服極限，那么在材料中勢(shì)必也會(huì)有著更大的殘余應(yīng)力，最終使得焊接結(jié)構(gòu)本身存在過高的變形能量，脆性應(yīng)變相對(duì)較高，進(jìn)而在原有的基礎(chǔ)上減少焊接變形。

2）結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)也是船舶焊接變形產(chǎn)生的重要影響因素之一。優(yōu)化布置船體結(jié)構(gòu)，提升其結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度勢(shì)必在一定程度上促進(jìn)材料焊接的抑制變形能力的提高，在原有的基礎(chǔ)上盡可能減少因焊接迅速升溫以及冷卻所出現(xiàn)的變形問題?；诖耍Y(jié)合焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來看，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)在實(shí)踐過程中綜合分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和約束力之間所呈現(xiàn)出的關(guān)系。具體來看，肋板、加強(qiáng)筋以及肋骨等的設(shè)置將會(huì)直接影響焊接結(jié)構(gòu)的剛性以及穩(wěn)定性，其產(chǎn)生的強(qiáng)度不同的約束會(huì)直接作用到焊接變形上，使變形大小產(chǎn)生一定的差異性[2]。

3）工藝

對(duì)厚度相同的材料進(jìn)行加工的過程中可以采用單層或多層焊接的方式，其中單層焊接方式的應(yīng)用在縱向所形成的收縮量明顯比多層焊接的縱向收縮量大，工作人員在采用多層焊接方式時(shí)需要先冷卻先行焊接的部位，在一定程度上達(dá)到抑制后期焊接部位收縮的效果?；诖?，在正式進(jìn)入到焊接生產(chǎn)階段之后，如果使用的焊接方式不同，其最終在收縮量方面也會(huì)產(chǎn)生明顯的差異。相對(duì)于直通焊接來說，逐步焊接方式的應(yīng)用在實(shí)施階段可以確保其焊接溫度的均勻性，并且產(chǎn)生的壓縮變形也會(huì)呈現(xiàn)出更加分散的特點(diǎn)，進(jìn)而減小其收縮。

一般來說，焊縫在縱向上的收縮量會(huì)隨長(zhǎng)度的增加而增加，而鋼板的接頭方式、接口形式以及材料厚度等因素會(huì)直接影響橫向上的收縮量。收縮量的增減同其寬度值之間有著正比例關(guān)系，在展開手動(dòng)焊接工作的過程中，焊接收縮量會(huì)受到鋼板自身厚度的影響，鋼板的厚度越高，收縮量越大，與自動(dòng)焊接相比有著一定的差異性。針對(duì)厚度相同的鋼板而言，與X型坡口相比，V型坡口本身有著更大的收縮量，所以焊縫的寬度以及長(zhǎng)度會(huì)更加直觀明顯地影響焊接變形。寬度和長(zhǎng)度的數(shù)值越高，橫向以及縱向的收縮量越大。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)于焊縫設(shè)置部位的重視，在實(shí)踐過程中充分了解焊縫設(shè)置部位對(duì)焊接變形方面所造成的影響?；旧峡梢园凑蘸缚p的布設(shè)形式劃分成以下情況：若是焊縫的布設(shè)能夠同對(duì)稱布設(shè)的要求相適應(yīng)，在焊接時(shí)焊縫便會(huì)縮短，其變形也呈現(xiàn)出單一的特點(diǎn)；若焊縫位置并沒有做到沿結(jié)構(gòu)中心線對(duì)稱布設(shè)，那么焊縫不僅會(huì)在橫向和縱向上有所縮短，同時(shí)還會(huì)增加其出現(xiàn)彎曲變形的可能性。彎曲變形的程度將會(huì)受到多種因素的影響，其中焊縫同部件之間的距離對(duì)其影響很大，距離越遠(yuǎn)，在材料完成焊接工作之后產(chǎn)生的應(yīng)力以及收縮力越大[3]。

2.2 控制措施

1）強(qiáng)化過程控制

焊前：在焊接之前，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于船舶焊接變形的有效控制，相關(guān)人員需要在正式進(jìn)行焊接之前便采取相應(yīng)的預(yù)防措施，具體可以從以下方面著手。一方面，需要事先對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)材料溫度升高之后，溫度梯度會(huì)有所降低，進(jìn)而達(dá)到減小殘余應(yīng)力的效果。另一方面，應(yīng)當(dāng)針對(duì)船舶焊接變形的方向以及大小進(jìn)行事先預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上采用人為的手段造成一定的變形，使其與預(yù)測(cè)的變形結(jié)果相反，這樣便可以在焊接時(shí)使得2種變形相互抵消，進(jìn)而抑制船舶焊接變形。通常情況下，在開展船廠施工的過程中大多會(huì)使用剛性固定法對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行固定，以達(dá)到控制變形的效果。與自由狀態(tài)下的焊接相比，鋼芯固定焊接方法的應(yīng)用可以在原有的基礎(chǔ)上減小局部變形。當(dāng)前我國(guó)船舶構(gòu)件焊接中經(jīng)常會(huì)使用剛性固定法，具體包括胎架螺栓連接以及強(qiáng)筋板等。

焊中：在船舶焊接的過程中，工作人員需要加強(qiáng)對(duì)于焊接工序的合理把控，為了能夠有效緩解普遍面臨的焊接變形問題，應(yīng)當(dāng)著重考慮在焊縫形成之前，焊接應(yīng)力以及變形的影響。在正式進(jìn)行船舶焊接工作時(shí)，工作人員在焊件順序以及焊件裝配方面的選擇存在一定的差異性，同樣會(huì)對(duì)焊接變形產(chǎn)生不同的影響?；诖耍ぷ魅藛T需要展開更加全面和綜合性的分析比較，在確保較強(qiáng)可操作性的同時(shí)，盡可能選擇變形更小的施工順序。在生產(chǎn)的過程中應(yīng)當(dāng)先針對(duì)小件進(jìn)行組焊，接下來按照分段的形式進(jìn)行組焊，最后進(jìn)入到總體裝配階段，這也是當(dāng)前船體構(gòu)件焊接工作經(jīng)常使用的焊接順序。除此以外，工作人員在進(jìn)行焊接工作時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)于點(diǎn)距的合理把控。通常情況下，船體構(gòu)件會(huì)采用長(zhǎng)焊縫進(jìn)行焊接工作，盡管連續(xù)直通焊的使用能夠提高焊接效率，但由于熱能的輸入將會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，焊接變形量會(huì)在疊加效應(yīng)的作用下增加。在面臨這一問題時(shí)，工作人員可以改變?cè)泻附臃较蚧蛘呤遣捎梅侄魏傅姆绞絹砜刂坪附幼冃巍Ｔ诤附禹樞蚍矫?，一般來說需要根據(jù)焊縫的收縮量進(jìn)行確定，先焊接有收縮量的部分，后焊接收縮量較小的部分。但若是面對(duì)厚板和薄板焊縫、橫向和縱向焊縫以及對(duì)接和角焊縫同時(shí)出現(xiàn)的局面，工作人員需要按照由先到后的順序展開焊接工作，這樣便能夠最大限度減少焊接變形的產(chǎn)生[4]。

焊后：早在進(jìn)行船體建造的過程中使用了多樣化的手段控制焊接變形，但為了更全面地抑制焊接變形，在完成焊接工作之后，工作人員需要針對(duì)其中出現(xiàn)變形的部位展開矯正工作。當(dāng)前常見的矯正方法包括火焰和機(jī)械矯正法，其中火焰矯正還包括整體和局部類型。

二者在原理方面基本相同，差別只在于加熱部位的不同范圍以及大小。從本質(zhì)上來看，二者均是針對(duì)金屬構(gòu)件展開連續(xù)的加熱工作，等到材料逐漸冷卻之后，其加熱部位便會(huì)出現(xiàn)塑性變形，并且呈現(xiàn)出不可逆的特點(diǎn)，這樣便能夠矯正變形構(gòu)架。與局部矯正相比，整體矯正在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的不利因素，具體原因如下：因?yàn)楸举|(zhì)上其實(shí)是直接加熱整個(gè)構(gòu)件，不可避免地會(huì)出現(xiàn)冶金副作用，機(jī)械矯正法的應(yīng)用是當(dāng)產(chǎn)生機(jī)械外力時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性形變的金屬得到一定的伸展，通過對(duì)其塑性變形進(jìn)行消除進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變形矯正。但在正式進(jìn)行機(jī)械矯正時(shí)，有可能會(huì)面臨金屬的冷作硬化問題，因此，機(jī)械矯正法的應(yīng)用對(duì)于材料有著較高的要求。若是材料本身脆性較強(qiáng)，那么便無法使用該方法，其僅僅能夠應(yīng)用在塑性良好材料的矯正工作中。在實(shí)際應(yīng)用機(jī)械矯正法進(jìn)行變形矯正的過程中，對(duì)于頂床、水壓機(jī)以及大型油壓機(jī)等的應(yīng)用能夠得以實(shí)現(xiàn)，起到輔助矯正的作用。

2）優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)

為了強(qiáng)化落實(shí)船舶焊接變形的控制，工作人員需要優(yōu)化焊接的結(jié)構(gòu)。一般來說，焊縫需要按照結(jié)構(gòu)截面中性軸進(jìn)行對(duì)稱布置，需要盡可能縮短焊縫同截面中性軸之間的距離，以達(dá)到減小彎曲變形的效果，并且減少焊接扭曲的出現(xiàn)，切實(shí)提高船舶焊接變形控制成效。除此以外，相關(guān)工作人員還需要針對(duì)船體進(jìn)行合理劃分使其以多個(gè)部件及船體分段的形式呈現(xiàn)出來，以分散焊接變形，為后續(xù)開展相應(yīng)的變形矯正和控制工作創(chuàng)造良好的條件。針對(duì)主要焊縫而言，需要盡量避免使用交叉和集中的布置形式，需要適當(dāng)使用短的焊縫，或者是采用槽型艙壁等能夠減少焊縫數(shù)量的結(jié)構(gòu)。

3）合理使用施工工藝

反變形法：若想高效落實(shí)對(duì)于焊接變形的合理控制，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)反變形法的應(yīng)用。反變形法是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的控制措施之一，本質(zhì)上其實(shí)是在焊接結(jié)構(gòu)自身變形特征的基礎(chǔ)上事先確定一個(gè)與之方向相反并且大小相等的變形，進(jìn)而同焊接過程中焊件所產(chǎn)生的變形相互抵消，促使完成焊接工作的薄板結(jié)構(gòu)能夠同設(shè)計(jì)要求相適應(yīng)[5]。

剛性固定法：剛性固定法主要指在剛性的胎架或者是平臺(tái)上對(duì)構(gòu)件進(jìn)行固定，在完成焊接之后便可以將其解放，這樣便可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于焊接變形大小以及程度的控制。工作人員在選擇剛性固定法的過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮相應(yīng)的焊接方法以及構(gòu)件情況，進(jìn)而優(yōu)化選用分段四周定位焊以及臨時(shí)加筋板等方法進(jìn)行操作，上述措施的應(yīng)用可以為船舶焊接質(zhì)量的提高以及焊接變形的有效控制提供方便條件。

自重法：若是其工字梁上部分的焊縫比下部分多，那么完成焊接工作的工字梁彎曲的方向是向上的，強(qiáng)化使用自重法能夠通過梁本身自重彎曲的應(yīng)用抵消焊接后的彎曲變形，在放置一段時(shí)間之后，會(huì)存在小部分的彎曲變形，但在實(shí)施過程中需要強(qiáng)化對(duì)于兩支墩點(diǎn)距離的合理把控。

3 結(jié)語

減少焊接變形問題的出現(xiàn)能夠有效提升船舶焊接質(zhì)量，對(duì)于船舶的高效運(yùn)行有著積極的促進(jìn)作用。因此，相關(guān)人員需要強(qiáng)化落實(shí)對(duì)于焊接變形的優(yōu)化控制，以提升船舶焊接水平，為其整體運(yùn)行安全性以及穩(wěn)定性水平的提升創(chuàng)造良好的條件。