船舶制造相關工藝的應力與變形問題研究

呂海行　雷海森

摘 要：船舶制造是一項對制造精度要求較高的工程，其整體質量受多種綜合因素的影響。應力集中和變形是對船舶制造質量影響較大的兩個因素，對船舶的結構、強度及實用性造成了極大的影響，需采取相應的工藝對其進行有效控制。主要研究了船舶制造過程中應力集中、變形問題的控制策略，以期為后期船舶制造工程提供相應依據。

關鍵詞：船舶制造；應力集中；變形；焊接工藝

中圖分類號：U671 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.118

在船舶制造過程中，應力集中和變形是經常出現的問題，對船舶的整體質量產生了極大的影響。如果這兩個問題得不到合理的控制，不僅會造成結構失穩、尺寸存在偏差、強度下降等不良后果，同時也會大大增加后期制造的難度。為保障船舶的整體制造質量，本文特立足于船舶制造過程中可能產生的相關問題，提出了有關解決應力集中和變形問題的幾點建議，現作如下總結。

1 船舶制造過程中消除應力的策略

1.1 確保焊接工藝參數的合理性

焊接工藝參數是對應力產生直接影響的因素，其合理性的控制尤為重要。首先，應嚴格以船舶的實際焊接結構為基準，在條件許可的情況下，盡量以手工電弧焊等小焊接線能量為優選；其次，為盡可能地減少焊接的殘余應力，應選擇小直徑焊條下限值焊接電流；最后，可選擇焊速較快的中等焊接電流，以降低焊件的受熱程度，由此將焊接的殘余應力降至最低。

1.2 以科學的順序焊接

焊接是一道需嚴格遵循科學順序的工序，相關人員需足夠重視。焊接時，首先，觀察鋼板和焊縫，對一端自由伸縮的可能性進行保留；其次，優先焊接不會對其他焊縫產生剛性拘束的焊縫；再次，如果構架與板接縫呈相交狀態，且具有角接縫和對接縫，則優先焊接對接縫，然后再焊接角接縫；最后，進行分段、總段焊接時，應保持施焊的對稱性，以分段中部向左右、前后為順序，以雙數焊工施焊，由此對結構均勻的收縮性形成保障。此外，如果各種構件均位于大接頭的同一斷面，則首先應焊接大接頭的對接焊縫，然后焊接其他構件的對接縫和角接縫，由此促使大接頭產生殘余應力或減少殘余拉應力。

1.3 對焊接的電流和電壓進行控制

電流、電壓的控制是船舶焊接焊縫過程中至關重要的一個環節，不僅影響著手工電弧焊的穩定性，同時也與焊縫成形情況有著密切的聯系。通常情況下，焊接電流與焊縫熔深成正比——焊接電流越大，焊縫熔深越深；焊接電流越小，則焊縫熔深越淺。在焊接電流較大的情況下，表面堆高較易呈凸起狀態；反之，則起弧的難度相對較大，同時也易使焊接電弧缺乏穩定性，甚至出現熄弧現象。但在電流過大的情況下，又極易產生飛濺現象，因此，電流并非越大越好，應將其控制在合理范圍之內。在選擇焊接電流時，為避免造成焊縫缺陷等現象，應盡可能使其與焊條直徑相符，以將電流密度控制在合理范圍之內。在電流密度過大的情況下，焊條呈發紅狀態，對正常焊接過程產生不利影響；在電流密度過小的情況下，電弧的穩定性將受到不良影響。一般來說，合理的焊接電流應為焊條直徑的4倍，但如果焊接位置處于立、仰狀態，應適當將電流降低20%.另外，焊接電流值還在一定程度上受焊接速度的影響——當焊接速度過快時，可能會導致裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的形成；當焊接速度過慢時，易導致母材受熱過大，進而對船舶強度產生不利影響。因此，在選擇焊接速度時，應以實際電流為基準，避免出現過快或過慢的情況。

2 船舶制造過程中變形問題的控制工藝

2.1 反變形法

反變形法的原理為：以焊后的實際變形情況為基準，預留出與其方向相反的變形，以對焊接后產生的變形現象起到相互抵消的作用。以此方法進行變形控制時，首先，應當對反變形的大小進行控制，確保其與焊接后的變形大小基本相符；其次，應確定反變形的具體數值，將其抵消作用發揮至最大；最后，應對可能產生影響的外界因素進行綜合考量，確保反變形量的實用性，并在焊接過程中對其進行適當修正。

2.2 散熱法

散熱法的原理為：在焊接區域周圍放置散熱物體，用以加快焊件冷卻速度，由此達到減少焊接受熱區域的目的，從而減小變形。這一方法對于降低變形程度具有重要意義，但弊端在于，對于具有較大淬火傾向的材料而言，易在冷淬作用下造成焊接裂紋的出現。

2.3 剛性固定法

剛性固定法的原理為：利用強制手段降低構件焊后的變形程度。該方法主要通過簡單工夾具或定位焊來對構件起到固定效果，使其在胎架或平臺上的穩定性得以增強，由此避免變形問題的產生。該方法在低碳鋼等塑性較好的材料中較為適用，在脆性較大的中碳鋼等材料中則不宜應用，以免造成裂縫的產生。另外，應用該方法時，還應對其拆除時機進行準確把握，以免造成大范圍的焊接變形。

2.4 機械矯正法

機械矯正法的原理為：將外力施加于焊縫及其周圍區域，由此實現控制變形和降低收縮應力的根本目的。應用機械矯正法時，為發揮其最大作用，應以熱狀態的環境為宜。這是因為當金屬處于熱狀態下時，其塑性可得到較大程度的增長，使材料保持在最佳狀態。通常情況下，應用機械矯正法對低碳鋼構件進行焊縫時，應將矯正的溫度控制在150～200 ℃之間，以促使構件塑性保持在最佳狀態，使矯正價值達到最高。

3 結束語

綜上所述，在船舶制造過程中，采用相應的工藝對應力集中和變形問題進行適當控制，是確保船舶質量的重要前提。在選擇工藝時，應嚴格以船舶的實際情況為基準，確保所選工藝具有可行性，以實現其價值的最大化。

參考文獻

[1]張玉永.船舶在建造過程中焊接變形的形成及控制[J].江蘇船舶，2013，30（04）：42-44.

[2]賀兵.船舶整體建造過程中消除應力集中工藝[J].科技資訊，2014（04）：127-128.

[3]朱琳，郭建明，劉清，等.基于可變形部件模型的內河多船舶跟蹤算法研究[J].計算機科學，2015，42（03）：311-315.

[4]高振國，胡志強.船舶碰撞擱淺中強肋框承受面內載荷時變形機理研究[J].振動與沖擊，2015，34（08）：55-60.

〔編輯：劉曉芳〕