探討船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與火工矯正

楊波濤

摘要：輪船作為一種較為常見(jiàn)的交通出行方式，以其大載重量?jī)?yōu)勢(shì)得到了人們的喜愛(ài)和歡迎。造船行業(yè)作為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)中重要組成部分，在人均物質(zhì)生活水平顯著提升背景下，水路出行愈加受歡迎，相應(yīng)帶動(dòng)了造船業(yè)的發(fā)展，呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。在這樣的背景下，對(duì)于造船工藝提出了更高的要求，尤其是在船體結(jié)構(gòu)焊接中，可能由于種種客觀因素影響，缺少合理有效的控制導(dǎo)致造船中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題，主要是由于在結(jié)構(gòu)熔化熱輸入不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力反應(yīng)影響到熱源周?chē)饘龠\(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題，影響到造船質(zhì)量。故此，本文就船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)變形問(wèn)題尋求合理的火工矯正方法，盡可能降低變形問(wèn)題對(duì)船舶制造質(zhì)量帶來(lái)不良影響。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu)；焊接變形；控制；火工矯正

船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在船舶制造中主要是通過(guò)焊接融合方式將船體結(jié)構(gòu)連接在一起，通過(guò)電能和焊接設(shè)備將母材與焊劑融合在一起，實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)焊接處理。在船體結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，由于熱輸入不均勻可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度力場(chǎng)變化，吸熱后將會(huì)發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部受力不均勻，產(chǎn)生較強(qiáng)的焊接應(yīng)力。如果這種焊接應(yīng)力無(wú)法得到有效釋放，將會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，結(jié)構(gòu)局部變形，結(jié)構(gòu)精度和強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，帶來(lái)嚴(yán)重的后果。同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致裝配精度不高的問(wèn)題，船體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，影響到船舶制造質(zhì)量。如果這樣的船舶投入使用，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。故此，針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題，就需要選擇合理的方法予以矯正，火工矯正方法可以有效滿足這一要求，縮短船舶制造周期，降低成本，提升制造質(zhì)量和效率。由此看來(lái)，加強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)焊接變形控制研究很有必要，有助于改善其中存在的不足，為后續(xù)工作提供一定的參考。

一、船舶結(jié)構(gòu)焊接變形的原因

船舶結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題較為常見(jiàn)，將嚴(yán)重影響船舶制造質(zhì)量。在船舶結(jié)構(gòu)焊接中，由于焊接中熱輸入不均勻，產(chǎn)生的焊接應(yīng)力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)焊接發(fā)生變形問(wèn)題。熱輸入主要是通過(guò)制造因素、材料因素和結(jié)構(gòu)因素形成的拘束度，對(duì)熱源周?chē)慕饘龠\(yùn)動(dòng)帶來(lái)影響，致使焊接應(yīng)力的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)焊接發(fā)生變形現(xiàn)象。對(duì)于結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題來(lái)看，影響因素較為多樣，材料因素是由于材料性能指標(biāo)不可以由于認(rèn)為方式而變化，制造因素則是受到人為因素影響發(fā)生變化，是可以改變的，由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)問(wèn)題出現(xiàn)[1]。結(jié)構(gòu)焊接變形的因素較為多樣，關(guān)鍵性因素是由于在焊接過(guò)程中焊接構(gòu)件剛性條件和熱變形導(dǎo)致，焊接中由于熱變形對(duì)構(gòu)件的剛性產(chǎn)生一定的制約作用，出現(xiàn)焊接變形。同熱變形相關(guān)聯(lián)的因素除了以上幾種以外，焊接工藝、焊接參數(shù)、焊縫數(shù)量以及材料性能都存在一定的影響。在制造加工中，焊接是一個(gè)十分重要的過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于結(jié)構(gòu)焊接變形的因素很多是不可預(yù)計(jì)的，結(jié)合主要因素選擇合理措施予以調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)焊接變形的有效預(yù)防和控制，保證，船舶制造質(zhì)量[2]。

總的說(shuō)來(lái)，焊接過(guò)程中由于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，除了導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)變形以外，還會(huì)出現(xiàn)不同程度上的尺寸精度下降和承載力下降的問(wèn)題，作業(yè)負(fù)荷增加的同時(shí)，附加彎矩和應(yīng)力過(guò)于集中，可能導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)不合理，整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降。焊接變形根據(jù)不同的變形形態(tài)，具體可以將其分為扭曲變形、收縮變形、波浪變形、角變形和彎曲變形幾種。

日本對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)焊接變形的研究起步較早，在上個(gè)世紀(jì)50年代起就開(kāi)始研究，并且重視程度不斷提升，而我國(guó)是近些年來(lái)開(kāi)始關(guān)注和重視船舶結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題，如何能夠?qū)で蠛侠淼拇昂附幼冃畏椒@得十分關(guān)鍵[3]。

二、船舶結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法

船舶結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題產(chǎn)生的后果是十分嚴(yán)重的，將直接影響到船舶的整體制造質(zhì)量，埋下一系列安全隱患，這就需要在船舶制造中加強(qiáng)船舶結(jié)構(gòu)焊接的控制，盡可能避免變形和裂縫問(wèn)題出現(xiàn)，提升船舶結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，滿足船舶制造標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于船舶結(jié)構(gòu)焊接變形可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果，這就需要加強(qiáng)船舶制造的結(jié)構(gòu)焊接變形控制，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)變形問(wèn)題的出現(xiàn)[4]。基于此，在船舶結(jié)構(gòu)焊接變形控制中，控制方法主要表現(xiàn)為以下幾種。

（一）合理的焊接順序

在船舶結(jié)構(gòu)焊接中，為了避免船舶結(jié)構(gòu)焊接變形出現(xiàn)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況來(lái)確定合理的焊接順序。焊接平面上的焊縫要具備自由伸縮性能，諸如在對(duì)接焊縫焊接中，要求焊接方向朝向自由端；收縮量較大的焊縫首先焊接處理，如果結(jié)構(gòu)上存在對(duì)接焊縫，盡可能選擇焊接收縮量較大的焊縫；加工作業(yè)中，首先選擇較大的焊縫進(jìn)行焊接，確保內(nèi)應(yīng)力合理的分布；對(duì)接焊縫交叉焊接中，應(yīng)該選擇合理措施來(lái)優(yōu)化焊接順序，避免交叉點(diǎn)出現(xiàn)焊接缺陷，影響后續(xù)焊接活動(dòng)的有序開(kāi)展。對(duì)于T型焊縫焊接處理中，首先要求焊接人員能夠?qū)⒔徊鎱^(qū)域清理干凈，只有這樣才能保證T型焊縫自由伸縮，避免焊縫交叉處出現(xiàn)裂紋問(wèn)題，影響到焊接質(zhì)量[5]。

（二）優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在船舶結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)中，為了能夠有效提升焊接質(zhì)量和效率，應(yīng)該注重構(gòu)件穩(wěn)定性的提升，對(duì)構(gòu)件性能進(jìn)行審核與校驗(yàn)，避免波浪變形問(wèn)題出現(xiàn)；同時(shí)，優(yōu)先選擇型鋼材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板材料，同時(shí)注重鋼板材料的合理利用，有效減少焊縫數(shù)量；選擇較小的焊縫尺寸，保證船舶結(jié)構(gòu)性能符合實(shí)際要求的同時(shí)，優(yōu)化加工工藝；為了有效避免焊接產(chǎn)生變形問(wèn)題，應(yīng)該嚴(yán)格遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，控制焊縫和截面中性軸對(duì)稱，優(yōu)化對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)[6]。

（三）優(yōu)化選擇合理的焊接工藝

在船舶結(jié)構(gòu)焊接變形控制中，為了能夠有效提升控制成效，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手：（1）結(jié)合實(shí)際情況，選擇合理的焊縫尺寸，如果焊縫尺寸增加，相應(yīng)的變形程度也將隨之增加，但是焊縫尺寸過(guò)小可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載能力產(chǎn)生影響，進(jìn)而加劇焊接接頭冷卻速度，熱影響區(qū)硬度不同程度上增加，可能出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，影響到船舶制造質(zhì)量[7]。故此，應(yīng)該在盡可能滿足結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量和承載力要求基礎(chǔ)上，根據(jù)板的厚度來(lái)選擇合理的工藝，在可接受范圍內(nèi)盡可能選擇較小的焊縫尺寸。（2）減少焊縫數(shù)量，合理控制板的厚度，降低焊縫和焊接變形帶來(lái)的不良影響，也可以通過(guò)壓型結(jié)構(gòu)，改善傳統(tǒng)肋板結(jié)構(gòu)存在的缺陷和不足，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少焊接數(shù)量，盡可能避免船舶結(jié)構(gòu)焊接變形現(xiàn)象出現(xiàn)。（3）合理選擇焊縫位置，焊縫和焊件截面中性軸對(duì)稱，這種設(shè)計(jì)可以有效降低焊接變形問(wèn)題出現(xiàn)，提升焊接質(zhì)量；（4）收縮余量的預(yù)留控制，焊件焊接處理后，可以通過(guò)焊縫收縮量來(lái)估算縱向與橫向收縮變形程度，這就需要在船舶結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)中預(yù)留收縮量，加強(qiáng)焊縫的控制成效。同時(shí)，還要預(yù)留裝配焊接卡具的位置，便于后續(xù)焊接過(guò)程中可以使用夾具有效避免變形現(xiàn)象出現(xiàn)[8]。

（三）反變形法

（1）對(duì)于板厚在8mm～12mm鋼板單邊V型坡口對(duì)接焊中，要求在裝配時(shí)采用反變形1.5°焊接，這樣焊接處理幾乎不存在角變形問(wèn)題。（2）工字梁焊接處理后，由于橫向收縮可能導(dǎo)致角變形問(wèn)題，可以通過(guò)在焊接前對(duì)上、下蓋板進(jìn)行處理，壓成反變形，裝配后進(jìn)行焊接，這樣可以有效避免上、下蓋板后出現(xiàn)變形問(wèn)題。但是需要注意的是，上、下蓋板自身的反變形量大小同蓋板厚度存在密切聯(lián)系，腹板厚度和熱輸入同樣會(huì)對(duì)上、下蓋板反變形量大小產(chǎn)生一定影響[9]。（3）集裝箱船的管接頭更多的是集中在上部結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接處理后管接頭發(fā)生不同程度上的彎曲變形，可以通過(guò)強(qiáng)制反變形夾緊裝置予以處理，使用交替跳焊法，受到外力作用下的彈性反變形，同時(shí)優(yōu)化受熱焊接順序，焊接處理后可以有效改善彎曲變形現(xiàn)象。（4）線型放樣中，結(jié)合以往的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，可以在縱向每檔肋距增加1mm焊接收縮量，橫向增加0.5mm焊接收縮量，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)可以更有效的解決總設(shè)計(jì)中的不足和缺陷，提升設(shè)計(jì)合理性。

（四）剛性固定法

船舶結(jié)構(gòu)焊接之前，為了避免變形問(wèn)題出現(xiàn)，應(yīng)該對(duì)焊件進(jìn)行外加剛性拘束，避免焊接時(shí)焊件自由變形。如，在法蘭焊接中，可以將法蘭背對(duì)背固定，這樣的設(shè)計(jì)可以有效避免焊接角變形問(wèn)題出現(xiàn)；薄板對(duì)接中，何時(shí)使用壓鐵，避免薄板焊接處理后出現(xiàn)波浪變形問(wèn)題。需要注意的是，焊接后，即便是去除外加拘束度，仍然會(huì)有少部分的殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形問(wèn)題出現(xiàn)，但是較之以往要大大減少。此種方法可以產(chǎn)生較強(qiáng)的焊接應(yīng)力，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該慎重選擇，尤其是焊接后很容易斷裂的材料焊接處理中，結(jié)合實(shí)際情況選擇[10]。

（五）散熱法

散熱法是在船舶結(jié)構(gòu)焊接變形控制中一種較為常見(jiàn)的方法，實(shí)際應(yīng)用中主要是通過(guò)冷卻方式將焊接區(qū)域的熱量吸收，有效降低受熱區(qū)域面積，以此來(lái)避免變形問(wèn)題的出現(xiàn)。但是需要注意的是，盡管散熱法可以有效避免焊接變形，但是在焊接淬硬性較高的材料中并不適用，反而會(huì)產(chǎn)生不良效果，影響到焊接質(zhì)量[11]。

（六）自重法

自重法的應(yīng)用，主要是根據(jù)構(gòu)件自重來(lái)消除彎曲變形現(xiàn)象。諸如，工字梁上的焊縫數(shù)量較多，上部焊縫數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下部焊縫數(shù)量，通過(guò)焊接處理后工字梁朝上發(fā)生彎曲。如果工字梁放置在支墩端點(diǎn)，借助梁自重彎曲來(lái)抵消焊接后的彎曲變形量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，將會(huì)變得更加平直，有效避免船舶結(jié)構(gòu)焊接變形出現(xiàn)。

三、船舶結(jié)構(gòu)焊接變形的火工矯正

在船舶結(jié)構(gòu)焊接處理后，焊件可能受到種種客觀因素影響出現(xiàn)彎曲變形，這就需要結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)火工矯正方法來(lái)改善彎曲變形問(wèn)題。火工矯正法是焊后矯正措施中應(yīng)用較為廣泛的一種，由于PSPS涂裝工藝無(wú)法滿足實(shí)際要求，就需要通過(guò)整體火工校正處理，但是需要將面積控制在合理范圍內(nèi)[12]。對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)局部的焊接變形問(wèn)題矯正，通過(guò)對(duì)焊接構(gòu)建局部加熱處理，溫度升高后材料熱膨脹性能發(fā)生變化，受到構(gòu)件自身剛性作用和影響，發(fā)生局部壓縮塑性變形現(xiàn)象，強(qiáng)制冷卻后發(fā)生不同程度上的收縮，抵消原本的彎曲變形程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形現(xiàn)象的矯正。

（一）圓正法

此種方法主要是采用氧-乙炔焰圓環(huán)在焊接變形區(qū)域均勻滑動(dòng)，形成更加均勻的加熱點(diǎn)。當(dāng)火圈溫度超過(guò)800℃，強(qiáng)制性冷卻圓點(diǎn)中心，火圈呈現(xiàn)暗紅色后停止冷卻，繼續(xù)加熱呈現(xiàn)紅色后，使用冷水強(qiáng)制性冷卻，直到變形區(qū)域調(diào)平結(jié)束這一循環(huán)過(guò)程。通過(guò)此種方法來(lái)校正的板材，應(yīng)該注意不可以在變形最高點(diǎn)放置火圈，否則將會(huì)對(duì)矯正質(zhì)量產(chǎn)生不同程度上的影響。故此，需要從變形程度較小的區(qū)域逐漸朝著變形大的區(qū)域推進(jìn)，在逐步推進(jìn)中可以有效降低對(duì)變形最嚴(yán)重區(qū)域的干擾。結(jié)合以往的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)可以了解到，火圈的直徑需要結(jié)合實(shí)際情況予以確定，火圈直徑過(guò)大可能導(dǎo)致褶皺現(xiàn)象出現(xiàn)，過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致剛性過(guò)大產(chǎn)生不同程度上的應(yīng)力，甚至?xí)?dǎo)致平面出現(xiàn)裂紋。

（二）條狀加熱矯正法

條狀加熱矯正法在實(shí)際應(yīng)用中，主要是通過(guò)粗線條裝的加熱軌跡，利用氧-乙炔焰直線運(yùn)動(dòng)，加熱痕跡為粗線條裝，在實(shí)際應(yīng)用中同樣可以有效改善其中存在的變形現(xiàn)象，特點(diǎn)較為突出，橫向收縮量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱向收縮量。所以，如果此種方法運(yùn)用合理，只需要較小的加熱面積，即可獲得可觀的加熱效果，有效提升矯正效率和質(zhì)量。

（三）格狀加熱矯正法

此種方法在實(shí)際應(yīng)用中，是在反復(fù)多次的條狀加熱處理基礎(chǔ)上形成網(wǎng)格狀，強(qiáng)制性使用冷水對(duì)軌跡線進(jìn)行冷卻處理，實(shí)現(xiàn)變形出的冷卻處理目的。除此之外，還可以通過(guò)沖擊能來(lái)校正，同樣可以獲得可觀的成效，不需要對(duì)結(jié)構(gòu)件加熱即可有效解決變形問(wèn)題，提升船舶造船質(zhì)量。

結(jié)論：

綜上所述，船舶制造中可能由于種種客觀因素影響，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)焊接變形問(wèn)題出現(xiàn)，影響到造船質(zhì)量。故此，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇合理的方法予以矯正，充分發(fā)揮火工矯正方法優(yōu)勢(shì)和作用，縮短船舶制造周期，降低成本，提升制造質(zhì)量和效率。

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