中小型船舶焊接變形控制工藝設計

吳泰峰， 朱 池

(中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 無錫 226433)

0 引 言

目前,國內中小型船舶企業主要分布在我國沿江各地，以生產10萬t以下散貨船、支線集裝箱船、瀝青船、化學品船等船型為主。已建造或在建18 600 t化學品船、載重37 000 t瀝青船、冰區加強載重38 800 t環保節能船、海豚型載重64 000 t船、卡爾薩姆型載重82 000 t船等都在向節能環保和個性化方向發展。因此，焊接變形工藝設計優化以1萬～10萬 t船舶為研究對象進行分析。

在船體整個建造階段，單船的焊縫長度可達1萬～20萬m，因此焊接工藝精細設計具有十分重要的意義。結構設計要做到：保證構件最大限度的柔軟(軟趾)和最小的焊縫收縮應變；船舶建造工序應確保在組立、分段、總組、搭載等制造階段均能以持續檢查和控制得以實施的方式組裝結構,焊接順序應以降低殘余應力、減少焊接變形和防止產生焊接裂紋為目的；合理采用焊接工藝設計優化減少焊接變形；考慮最優分段劃分、搭載順序和焊接順序；等等。為此，從船舶焊接結構設計和焊接工藝設計兩方面同時采取措施,對保證船舶焊接變形控制、建造質量和建造周期起到了關鍵作用。

1 船體結構焊接變形原因與要素

焊接變形是由不均勻加熱引起的，它會使船舶的建造品質和服役性能受到影響。在眾多的船舶破損事故中，焊接變形和應力是造成船體斷裂的主要原因之一。[1]熟悉掌握焊接變形的產生和存在的一些基本規律，對焊接變形的減少、控制以及防止具有重要意義。

2 船體分段與總段劃分要領

2.1 船舶結構強度與結構要求

對于橫骨架式船舶，為保證船舶組立間的連續性和整體性，盡量減少縱向分段的劃分。[2]對縱骨架式船舶，應盡可能減少分段焊縫的數量并避免橫向焊縫，如果分段長度超出車間制造能力，可將船舶分段作縱向劃分設計。考慮到船舶強度，分段焊縫布置時，優先設計在分段有足夠強度和剛度的區域，避免在焊接、火工和吊裝時因結構強度不夠使分段發生較大的焊接變形。對于船體搭載環形焊縫的設計要求，盡量避免焊縫處在高應力區域和線型突變區域，一般焊縫設計在每個肋骨間的中心位置。

2.2 建造工藝要求

對于船舶平直貨艙區，采用分段流水線、高效焊接設備、機器人等相結合的建造方式，制定與平直分段流水線相匹配的建造工藝要求，保證船體分段的尺寸和重量滿足車間生產要求。分段盡可能采用定制鋼板的尺寸設計，通過與鋼材廠商合作，改變鋼材尺寸和形狀(鋼板通常尺寸為2 m×12 m以內的各種尺寸，可以考慮訂購4 m/4.5 m×20 m鋼板,也可根據船體結構中通用標準件的尺寸要求鋼企進行定模制作)，可減少分段焊縫數量， 減少焊接變形，提高鋼材利用率，從而達到船廠與鋼企雙贏的目的。對于分段裝焊順序和變形，在分段劃分時應考慮其高效、經濟、安全性。涉及各專業間的相互作業、檢查和建造階段，都應在分/總段劃分設計中予以考量，從而設計出合理的分段和總段劃分。對于船體結構總/分段中階梯斷面和平面斷面區域接縫處，須充分考慮焊接變形、焊接及其他專業的可操作性。[3]

2.3 生產人員和周期要求

在施工人員和周期方面，分/總段劃分須根據車間生產能力、物資供應和場地面積考慮。在分/總段劃分圖初稿設計完成后，進行軟件模擬造船和施工車間討論方式來決定總段數量。為縮短船臺(船塢)周期和減小焊接變形，盡可能建造大型總段，從而減小分段搭載數量，以便減少搭載焊接數量，繼而減少總段焊接變形。

2.4 建造設備實施要求

在分/總段的劃分設計中，運輸起重能力是決定分段重量和尺寸的主要因素之一。起重能力保證船體分/總段裝焊、翻身、搭載及各階段裝車能力；運輸能力保證船舶分/總段順利到達每個作業區，亦是配送能力的體現。二者都是分段劃分設計中缺一不可的重要內容。

3 船用鋼材選擇

在船舶建造中，船用鋼材主要由冷、熱軋鋼板，型鋼及他們的組合裝焊而成。通常情況，船用普通碳鋼板焊接時，液固相變在彈性極限溫度以上發生變化，對焊接殘余應力和變形產生影響小，基本不影響焊接變形。然而在船用高強鋼焊接時，液固相變在彈性極限溫度以下發生變化，其液固相變造成結晶體積增大，從而產生較大的焊接變形。[4]因此，焊接變形是熱應變、塑性應變及相變綜合結果的影響。在船舶強度、使用性和經濟性滿足的情況下，優先選擇普通碳鋼板，有利于焊接變形減小和矯正。

4 主板坡口設計

板縫設計時，須充分考慮船體結構強度，嚴格按照船體設計規范。板縫布置使組立的作業量達到最小化，零件數量最少，裝配方便，焊接量最小。板縫布置使組立的用料達到最小化，即材料的利用率最大，材料訂貨量和規格最少。板縫布置須考慮組立裝配和搭載時的方便性和快速性。板縫的布置須考慮精度管理的要求，即補償量和余量的加放原則。

外板縫的布置還須考慮以下因素：(1)船體外板的彎曲形狀、裝配方法和程序，從而確定鋼板及其加工方法、加工余量數值、余量的加放位置以及外板的坡口方向。(2)船體外板加工設備的能力，從而確定外板的最大極限尺寸。

板縫的布置還須考慮船體在建造過程中設施配備的限制條件。

5 坡口形式設計

焊縫布置、接頭的變形以及應力集中程度都對接頭質量有明顯的影響，合理的接頭設計應使變形與應力集中系數盡可能小，且具有良好的可焊性，并便于焊后檢驗。[5]為此，應避免將焊縫布置在斷面突然變化的位置，并須考慮施焊的方便。

為控制坡口與加熱對焊接變形的影響，通過試驗完成了載重38 800 t散貨船艙口圍厚板坡口的確定，試驗數據如表1所示。

表1 厚板坡口確定試驗數據

6 焊接工藝設計要求

6.1 人員要求

凡是裝配工、焊工等操作人員，必須經過專門培訓和考試合格，經相關船級社認可，方可持證上崗。

6.2 坡口形式選用與要求

技術部門設計人員應在保證焊接質量的條件下，充分考慮焊縫所在位置、焊接設備、焊工操作方便和環境等因素，進行合理、易控制變形和靈活地選用坡口?，F場切割人員應根據圖紙要求切割坡口并保證精度；裝配人員在裝配時應保證坡口符合圖面要求；焊接質檢人員在焊前應檢查坡口是否符合圖面要求，不符合要求不應進行焊接，對圖紙中坡口有質疑的位置應向設計部門提出，并進行合理修改。

6.3 焊接方法的選擇

不同焊接方法的熱影響區不同，焊接區域收縮量也不相同，多道多層焊縫比單道單層焊縫長度方向的收縮量和變形小。[6]這是因為單道單層焊熱影響區域冷熱不均造成溫度梯度大，焊接收縮量和形變亦增大。因此,在設計階段應盡可能使用熱量集中和高效焊接方法來減少焊接變形。

6.3.1 不同直徑埋弧自動焊拼板收縮量

經過3組數據對比，發現不同直徑埋弧自動焊厚度為12 mm的中薄板在焊接時，直徑越小，收縮量越小。由此可見，焊材直徑對收縮量影響很大，故而焊接變形影響也很大。見表2。

表2 埋弧焊12 mm拼板焊接焊縫縱向與橫向收縮測量表 mm

6.3.2 設備更換提升球扁鋼角變形控制合格率

最初采用普通角焊機或CO2手工半自動焊焊接，角變形合格率一直在78%以下徘徊，使用高速微型橫角焊機使焊腳尺寸符合圖紙要求且焊喉飽滿，還能1個人開2臺小車提升焊接質量和效率。因焊腳設備更換，大成型球扁鋼的角變形控制合格率從50%提升至89%，如圖1所示。

圖1 2016年球扁鋼變形合格率

6.4 裝焊設計要求

裝焊先后順序能引起構件在不同裝配階段重心位置改變和剛性變化，對船舶結構的焊接變形有較大影響。整個船體結構裝焊有兩種方式，即局部裝焊和整體裝焊。在簡單的船舶構件中，采取整體裝焊方式，可以減少其旁彎、彎曲變形，例如工字梁裝焊過程：若采用局部散裝法，焊接后船體構件產生的各種彎曲變形量較大；若采用整體裝焊法，現場驗證發現船體構件產生焊接變形較小。在線型和結構復雜的船舶中，整體裝焊法不再適用，為此，制定如下焊接工藝設計原則：(1)在線型和結構復雜船型建造中，優先采用局部裝焊，采用局部散裝法，造成焊接變形不能反應到船體建造的總變形量上；(2)在線型和結構簡單船型建造中，有限采用整體裝焊。

在結構裝配設計中，控制裝配間隙，以確保裝配精度和質量；在胎架設計中，胎架應具有足夠的剛性，有限元分析不能有下沉，胎架結構便于制作；確認設計中構件的坡口加工、裝配次序、定位精度及裝配間隙符合規范要求；明確避免強制裝配，以減少構件的內應力；薄板裝焊點接觸胎架(見圖2)更改為面接觸胎架(見圖3)，從而減少焊接變形。

圖2 點接觸胎架

圖3 面接觸胎架

6.5 焊接工藝參數設計

對于不同船舶鋼板，應根據焊接工藝評定試驗選擇焊接參數，其基本原則為：在提高船舶建造效率和降低生產成本前提下，保證焊縫質量，減少焊接變形及殘余應力。焊接工藝參數涉及電流、電壓、焊速等，如選擇不當，將會造成焊縫變形較大及焊接缺陷產生，最終直接影響船舶使用壽命。此外，還須考慮焊接線能量對焊接變形及殘余應力的影響。熱輸入量的通常規律是隨著熱輸入量的減小造成壓縮塑性變形區變小，因而收縮量隨之減小，反之亦然。

7 焊接方向與順序設計

7.1 焊接方向

焊接位置先后順序，優先平位置，其次立位置，再次橫位置，盡量避免仰位置焊接；角焊縫的焊腳尺寸嚴格按照圖紙標注施焊。

7.2 焊接順序原則

對接縫部位的焊接會因變形的受熱量、間隙量等作業條件多少產生差異，焊接變形最小化的焊接方向及順序總則：分段的中心處從前、后、左、右、上、下進行對稱焊接; 從收縮量多的對接縫開始焊接;首先進行對接縫焊接，然后進行角縫焊接。

小組立焊接順序設計如圖4～圖7所示。

圖4 肘板及加強筋焊接順序

圖5 筋板與面板焊接順序

圖6 小框架間焊接順序

圖7 肋板與筋板焊接順序

拼板焊接順序,如圖8所示。

圖8 拼板焊接順序

分段焊接順序設計要求，如圖9所示。優先焊接船體強力板之間的對接縫，其次焊結構框架間的板與板對接焊縫、焊組立結構間的角接縫，最后焊接組立結構與強力外板間的角接縫。

圖9 分段焊接順序

長焊縫焊接變形設計，可以采用焊縫分段退焊法(見圖10)，從中間向兩側同時退焊。

圖10 分段退焊法

總段環縫焊接順序,如圖11和圖12所示。

圖11 37 000 t瀝青船總段環縫焊接順序

艏艉搭載焊接順序,如圖13所示。

圖12 載重82 000 t散貨船總段環縫焊接順序

圖13 載重82 000 t散貨船艏艉搭載焊接順序

8 結 論

在設計船體焊接結構時，除滿足船舶使用性能和強度要求外，須特別注意：避免產生應力集中而造成焊接變形；便于焊接施工，提高效率和減少建造成本；盡量避免結構上的不連續和構件斷面的急劇變化；避免應力集中，以免造成焊接變形；盡可能減少熔敷金屬量，提高結構的施工工藝性；分段/總段劃分、坡口形式優化能有效控制焊接變形。

在焊接工藝設計過程中，應有避免船體結構焊接變形和焊縫高應力集中措施。選擇適宜焊接方法能有效減少焊接變形與應力，盡量減少強力裝配也能減少焊接變形。對于薄板，減少焊縫數量是減小焊接變形和焊接缺陷產生的一個重要途徑。在船舶設計和建造中，為船體建造提供高品質、經濟、簡便的焊接方案，焊接順序是十分重要的設計內容之一，應在船舶設計階段予以考慮，并貫穿于整個船舶生產制造的過程中。焊接順序正確與否，對整個船舶建造精度和焊接質量產生直接影響。

在船舶建造整個過程中，焊接變形和殘余應力是相互共存、不可避免的，為此，只能采取正確和積極的方法減少焊接變形，從而達到既滿足船舶設計強度及服役性能要求，又滿足當前節能環保和經濟性要求。

[1] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M]. 2版.北京：機械工業出版社，2007.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊[M]. 北京:機械工業出版社，2002.

[3] 《船舶焊接手冊》編寫委員會.船舶焊接手冊[M].北京：國防工業出版社，1995.

[4] (蘇)C.A庫茲米諾夫.船體結構的焊接變形[M].王承權，譯.北京：國防工業出版社，1978.

[5] 陳冰泉.船舶及海洋工程結構焊接[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6] 陸偉東.船舶建造工藝[M].上海：上海交通大學出版社，1991.