淺談船用薄板焊接變形的控制

田金寶 焦 智

（上海江南長興造船有限責任公司 201913）

淺談船用薄板焊接變形的控制

田金寶 焦 智

（上海江南長興造船有限責任公司 201913）

本文從船用薄板常常出現焊接變形的原因出發，確定出影響焊接變形的兩個變量為壓縮殘余應力和彎曲臨界引力。而后從焊接設計到焊后矯正的整個階段進行考慮，對整個焊接過程進行控制和監督，以達到控制焊接變形的目標。

船用薄板；焊接變形；工藝控制

低合金高強度的鋼薄板常常作為船用薄板使用，這種薄板能夠大幅度的降低船體的自重，同時利于提高航行速度。然而，薄板的焊接技術仍有待提高，焊接薄板中常出現焊接變形的情況。

1 船用薄板焊接產生變形的原因

焊接時引發薄板變形的原因較為多樣，無論是焊縫的位置還是整體結構的設計，都有可能產生薄板變形。此外，薄板的預處理不到位以及切割方式不對也可能是造成變形的原因。

從內在原理上來講，當薄板在進行焊接和強制裝配等處理時，往往會產生一定量的壓縮殘余應力。當壓縮殘余應力大于薄板結構的彎曲臨界應力時，薄板就會出現波浪形狀的變形和筋骨外漏的情況，也就是我們俗稱的“露筋現象”。從上述描述中我們不難發現，要控制焊接變形最重要的是對壓縮殘余應力和彎曲臨界應力這兩項指標進行平衡或改變。

那個關系可以用公式表示為：

屈曲臨界應力=k（t/B）2

其中，t和B分布為薄板的厚度和寬度，而k則是板架的支撐結構系數。

2 對船用薄板焊接變形的控制

2.1 設計階段的控制

2.1.1 板架支撐和板縫布置優化

為了提高屈曲臨界應力，在進行板架支撐設計時需要提高艙壁扶強材的數量和剖口面積。此外，在生產時在艙壁合攏口的一層加一些水平扶強材，也可以設置槽鋼等來提高支撐結構系數。

板縫布置的距離越合理，就越能降低焊接變形的可能。因此，板縫的位置要盡量靠近結構件，這樣可以依托結構件自身的剛性來減少變形此外，拼板時盡量選用較大尺寸的板子，可以減少焊接的次數從而減少變形的可能性。此外，焊縫的位置盡量對稱也能減少變形。最后，盡量在設計階段減少火焰工序，對存在大開口情況的薄板結構，在其套料圖上可設置“引橋”來跨過開口。

2.1.2 焊縫設計的優化

焊縫的橫向收縮可能會帶來薄板的波浪變形等，因此，控制其收縮的比例就可以有效地控制器焊接變形的可能。

具體來說，為了在滿足船體自身對強度要求的前提下，盡可能地降低收縮值，可以通過減少焊腳高度來實現。此外，在船體的上層建筑的焊接縫隙工作中，在考慮結構腐蝕的前提下適當地使用斷焊和雙面對稱間斷焊等焊接手法。

2.2 構建運輸階段的保護

在進行裝車和卸貨的過程中，要注意薄板是否被保護到位，是否會受掛鉤部位的影響而變形。此外，還可以制作胎具籠子來保護薄板，減少其直接接觸吊鉤等構建的次數。

2.3 施工階段的控制

2.3.1 預處理階段

預處理一般是用數控機床來進行等離子切割下料，等離子水下切割可以防止變形。同時近來時興的激光切割也可以達到減少結構殘余應力積累的目的，從而控制變形。此外，預處理還包括對板材的邊緣進行加工。

作為船體建造的第一個步驟，預處理需要對鋼板在運輸過程中出現的彎曲進行矯正，使之平整。而厚度低于6mm的薄板在跑完后容易出現變形，因此要進行手動打磨和酸洗。或者在整個扶強材裝焊完畢后在進行拋丸工序。

2.3.2 裝配焊接階段

裝配過程中需要控制裝配間隙在0到厚度的1/10之間，并且角焊縫的根部縫隙不得超過0.5mm。因此，在進行角焊縫和板材的對接焊縫處理中，先焊對接縫，再對完成角焊縫的構建進行劃線，并對在交叉口出現的余高等情況進行處理。

此外，還需要控制放置反變形量，首先要確定合理的反變形值，但這一處理并不穩定。因此，要在裝配過程中使用磁吸馬板來降低對鋼板的磨損。同時，當變形控制需求較高時，先做板對接和骨架裝配，再統一進行焊接。

2.3.3 焊接方法優化

優化焊接方式主要是通過選擇熱輸入量較小的方式來實現的，因為曉得熱數量可以控制溫度，進而減少焊縫收縮。具體來說，選材上可以選擇小直徑的焊條和多層多道焊條以及小直徑的藥芯焊絲。在小電流的條件下使用快速不擺動焊法進行焊接。

或直接使用二氧化碳自動交焊機，這種方法能夠通過二氧化碳氣體保護薄板，對控制變形有利。此時，如果將保護氣體更換為80%氬和20%的二氧化碳的混合氣體，對控制焊接時的飛濺有著較大的幫助。

2.3.4 焊接順序優化

在焊接進行前編制典型分段結構的順序來指導焊接工作，一般選擇先焊對接焊縫，后焊構架上的角焊縫。對于較為特殊的情況進行特殊地處理和適當地優先焊接。

具體來說，對于船體外板和甲板這種焊接面較大的板塊處理時，盡量先焊變形較大的長焊縫，再焊短焊縫。到了正式焊接的時候，則反向處理。此外，在進行船體上層建筑的焊接時，也需要先做板材的對接焊縫處理，在處理焊構架的角焊縫。雙焊工同時對扶強材結構進行對稱施焊。最后，若焊縫長度超過1m，則需要先焊上1/3的部分，再由上往下的進行逐步退焊。

2.4 焊接后的校正

實踐證明，即便通過以上的工藝進行焊接變形的控制，仍然很難達到焊后薄板的完全不變形。因此，需要在焊接完成后開展矯正工作，一般采用線狀加熱法進行火工校正。此外，還有部分船廠引進了薄板感應熱矯平設備，這種設備能夠有效地改善矯正的環境，因而對5mm以下的薄板焊接變形都有較好的處理效果。其中，火工矯正就是通過控制溫度來矯正變形，而溫度的判斷則需要通過鋼材表面加熱的顏色來進行估計。

2.5 過程監督

過程監督是全程的監督，具體來說就是要在實施焊接和矯正的過程中檢查方案是否合理，并進行效果評估，并對監督過程中發現的焊接問題進行及時糾正。

此外，過程監督還應當建立適當的獎懲制度。組織焊接工作內部員工進行學習交流，以實現焊接各工段相互學習、共同提升。在工作過程中，以焊接變形控制的結果為導向，對先進工段予以表彰和獎勵，對制作水平較差的工段予以懲罰，嚴重的可責令停工。

3 結語

通過從焊接設計階段到最終的焊后矯正階段的管理和監督，最終能夠對薄板焊接變形的情況進行較好的控制。實際上，在這個過程中除了是對焊接變形情況的控制外，還對預防和避免焊接事故和提升焊接質量起到了較好的作用。就目前來看，熱彈塑性等新型模型和方法對于控制焊接變形具有較好的作用。而我們進行研究的最終目標是追求薄板焊接一次成形，無需任何矯正的新型技術。

[1]畢磊，田喜平，王樹堂.淺談薄板結構件的焊接變形及控制[J].國防制造技術，2013，05：46～48.

[2]鐘英福.淺談薄板鋼結構焊接變形質量控制與管理[J].山東工業技術，2016，05：213.

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2016-8-13