船舶焊接变形的形成与控制分析

船舶焊接变形的形成与控制分析

张路

上海中远海运重工有限公司 上海市 202150

摘要：20世纪50年代，国外学者们对平面分割、半实体分割、三维分割等变形领域进行了全面的研究，充分结合相关经验，提出防止和减少焊接变形的具体方法和措施，并在借鉴相关研究成果的基础上，对工程施工中焊接变形的预测控制进行了全面研究，具有较高的实用价值。而国内学者利用固有应变来预测焊接时船体断面变形，提出一种移动热源并分割有限元网格的方法，对解决焊接变形和应力的数值计算具有积极意义。

关键词：船舶；焊接变形；控制

1船舶焊接工艺的现状分析

1.1焊接新工艺

近些年，越来越多的新焊接工艺被用于国内大型船厂内，单面焊双面成型、焊接自动化等均是典范，其目的主要是提升焊接生产效率。在焊接船台或船坞大合拢环节中，为使最后的焊接质量得到更大保障，推荐采用C02气电垂直自动焊去处理部分平直接缝结构。

1.2焊接设备

伴随焊接工艺的发展进步，焊接设备装置也有很大改善。很多船厂生产活动中积极采用C02气保护焊机，其有助于减少焊材的投用量、压缩人工成本及提升焊接工效，且对焊接工艺创新发展过程也起到一定促进作用。

1.3焊材

在我国船舶工业持续发展过程中，其对焊材质量与性能等提出更多、更高的要求。当下船舶建造领域中常用的焊材有普通焊条、C02气体保护焊丝、埋弧焊材等。

2船舶焊接部分出现构件变形的主要因素

舰船生产过程中，主要采用冷轧钢板焊接、热轧钢板焊接和型钢焊接。在结构制造工艺方面，焊接过程的热应力、外力干扰和残余应力是引起船体结构变形的主要原因，其中焊接热应力引起的变形主要发生在实际焊接过程中，冷态和热态不均匀是由金属材料引起的，冷态和热态则会引发冷轧钢板焊接位置及周围区域发生形变。船舶进行焊接所需的热源均取自高温电弧，焊接部位在高温作用下，钢板会出现膨胀现象，在撤掉焊接热源，焊接位置会出现压缩形变[2]。研究表明，船体结构的焊接变形与其热量传输呈正比例；焊接区域发生形变的另外一个原因是钢板的残余应力与成形应力作用形成。热胀冷缩对局部焊接后焊缝金属面积有一定影响，焊接点周围区域在次应力的作用下，焊接完成会形成一部分残余应力。壳体成形后产生残余应力的主要原因是外力的作用，如工件自由性弯曲成型过程中的形式，钢板平压次数不符合要求等因素会形成加工残余应力的形成。

3控制船舶焊接变形的对策方法

3.1完善结构设计

船体结构设计情况不仅要符合船舶使用性能和强度要求，还需要尽量满足船舶制造阶段焊材用量最小、耗用工时最短、焊接变形最小等要求。也要依照依照焊接特征去完善设计，进一步减少焊接变形，要求主要有：（1）在保证钢构件强度达标基础上，尽量缩小焊缝截面积；（2）采用简易式装配焊擞台架完成装配；（3）对船体采用分段建造法，一方面有助于减少船台作业量，另一方面能更为准确的调控船体焊接变形整体状况；（4）把焊缝设置数目降至最少；（5）焊缝应朝着结构中心线靠拢，或者对称分布，有助于减少或规避弯曲变形问题。

3.2反变形法

逆变法是通过试验或理论计算对焊接变形进行预测，为了补偿焊接前的变形，在焊接变形方向相反的时候，船体或轮胎骨架会发生预变形。采用此方法控制焊接变形可有效降低残余应力，且操作简单，在船舶制造领域可以进行推广与应用。例如，在船舶结构的某一横截面焊接时，采用反求构架可降低焊接变形发生概率。

3.3船舶的建造工艺

纵观船舶的建造工艺，预留收缩余量、刚性固定与反变形法是业内控制焊接变形问题的常用方法。焊接变形控制阶段经常采用如下两种方法弥补设计方面存在的缺陷，即船体的弯曲反变形与尺寸变形。针对弯曲反变形，可以采用反变形量去消除，具体操作方法可以做出如下阐述：将反变形量施加到船体胎上方，各档肋距以1.Omm左右为宜。针对船舶全尺寸收缩变形问题，通常应用加放焊接收缩量的方法便能顺利处理，等同于使用预留收缩余量进行弥补。分段式生产制造阶段，明确要求工作人员一定要科学设置预留收缩量，依照相关公式估算出量值具体大小，生产中通过合理设置余量能够有效弥补焊以后尺寸收缩的问题，钢构件横向、纵向收缩量设置情况，每档加放焊接收缩量通常分别以0.5mm、1.0mm为宜。积极落实以上两种补偿式控制设计方法，能够较有效的抵除除船舶建造阶段形成的变形情况。反变形及刚性固定法均是船舶制造工业中最佳的焊接工法过程中最佳焊接工艺，前种工法是指于船体正式装配焊接前，赋予船体构件或者某个分段一个反变形值，施加的变形值要大于船体分段焊接以后形成的变形范畴，同时采用变形的逆向进行设置，以上操作遵照的原理是消除构件焊接以后形成的变形，从而间接抵消船体分段变形，或者把其分段变形程度降至最低。刚性固定法在船体装配焊接领域中较高的适用性，近些年其应用范畴也有不断拓展趋势，是当下船舶施工阶段控制变形问题的常用工法之一，把焊接构件全部焊缝（冷却到室温时）进行刚性固定形式剔除，借此方式去减缩自由状态工况下焊接变形范畴。各种直线或弧线的拉马、临时性电焊加强角铁、胎架螺栓衔接、分段周边固定定位焊均是较为成熟的刚性固定法。在现实应用期间应予以如下几点问题一定重视：一是选用适宜的焊接工艺，并科学设置焊接先后次序，小线能量焊接为主；二是用自动焊接将人工手动焊接取而代之；三是要在无装配应力强制的工况下装配船体。

3.4控制温度场

焊接结构的残余应力和变形由焊缝内部温度场决定。强迫对流传热可以降低焊接热值，减少焊接变形的发生。散热技术在船舶制造行业中被广泛应用，可以迅速冷却焊接部位，迅速消除焊接部位的热量。

3.5矫正焊接结构

船体结构在焊接后，随意加以矫正并不是理想的举措，只有当船体的整体变形或部分变形大于段、截面或船体封闭后的允许范围时才能进行修正。通常情况下，在焊接过程中，使用机床或其他工具来校正焊件附近的局部或全部变形，而在焊接过程中，矫正法或将导致新的变形，从而破坏构件的材料性能，因此可使用火工矫正法来校正整体变形和局部变形。

3.6散热法与回火法

可以把散热物体安放在焊接位置周边，借此方式帮助被焊接部件能在较短时间内冷却至室温，进而削弱热影响区形成的作用效果，同步减小了热影响区与船体变形范围，以上便是业内广为人知的散热法，也被叫做强迫冷却法，采用该种工法控制焊接变形问题时，应联合采用其他措施方法去规避淬火倾向偏大的状况，这样就不会因存有冷淬而出现裂纹。回火法实质上就是把焊接成型的部件整体安放到炉内，采用20～60℃升温速度进行加热处理，而后在适宜时间段内保温，出炉时加强其温度指标的控制，力争使其温度降到50～60℃区间内，该种方法在防止焊接变形或者裂痕问题方面表现出良好效能。

结论

船舶建造阶段产生的焊接变形问题，是导致船舶运行阶段出现故障、降低船舶制造精度的主要因素之一，对整个造船工程安稳性形成的影响也是不可忽视的。因此，生产实践中相关人员应高度重视焊接变形问题，积极分析其成因，采用适宜的方法加以控制，进而促进我国船舶制造工业健康、持续发展。

参考文献：

[1]杨现阳,田从永,荆鹏.基于焊接变形量控制的FPSO单点舱建造精度控制工艺探讨[J].云南化工,2020,47(04):164-167+170.

[2]石金雷,鞠理扬,周宏,等.三角板扶强材对船体结构焊接变形的影响和控制研究[J].船舶标准化与质量,2020(02):33-41.

[3]王江超,易斌,周宏.加强筋薄板船体结构的焊接失稳变形预测与控制[J].船舶与海洋工程,2019,35(01):58-63.