某艇焊接變形控制的幾點思考

李坤

摘要：某艇主船體結構采用較為特殊L907A鋼板建造，具有板薄、主尺度較小特點，在實際建造管理過程中易產生大量的變形，本文就907A鋼板建造小型艇時焊接變形控制進行分析探討。

關鍵詞：船用鋼板;焊接;變形控制;焊接應力

中圖分類號：U6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0119-02

1? 概述

某艇根據快速機動和一定強度需求，為減輕結構重量，主船體結構大量采用材料較為特殊L907A鋼板建造，板材厚度主要為4-6mm。由于該艇具有板薄，主尺度較小，艇體內部設備多，空間小，其重量重心需嚴格控制等特點。針對該艇4mm薄板和5-6mm偏薄板變形控制的工藝是本艇建造的關鍵工藝之一。

2? 焊接變形原因

①建造鋼板采用“開平板”，此類鋼板有較高的內應力，因此結構不夠穩定。鋼板開平操作時，不同工藝參數對內應力分布有不同的影響，垂直長度的不同方向上發展出現不同承載能力的情況。因此在焊接的時候我們會有一個很大的焊接變形，很難通過調整改變。

②一般厚度不大于4mm的板材屬于一類薄板，埋弧自動焊和手工電弧焊操作均比較困難，焊接質量控制要求高，制造過程中也極易產生不同變形。殘余應力、焊接熱應力和外力是造成焊接變形的主要原因，薄板對于這些變形因素很敏感。制造過程中的切割、裝焊、火工矯正、翻轉、運輸、沖砂、涂裝等工序內容都對板架的變形有一定的影響。

③本艇不僅結構較薄，而且縱向骨材間距僅200mm，焊縫距離近，焊接工作量大，使得結構受熱變形大，給建造過程中的各工序的變形控制都提出了更高的要求。此外，甲板上用于固定裝備的固定件較多，這些固定件的焊接會帶來薄板的變形。合理地安排裝配、焊接順序，嚴格執行各環節的要求，有助于減少薄板結構的變形。通過制定科學合理的方法和手段，對建造過程中的分項環節和具體步驟進行管理控制，可以有效降低板的建造變形。

3? 鋼制薄板焊接變形控制措施

為控制艇體薄板的變形，可以從多個階段控制，進而減少整體變形。

3.1 設計階段的控制措施

①從焊接變形的原因出發，在設計階段應控制焊接熱應力。焊縫應減少使用T字接頭，主要采用“+”字接頭的對稱布置焊接方式。通過合理選擇板材規格，排布焊縫序列，減少焊縫數量。薄板的波浪變形主要是由其角焊縫橫向收縮導致，通過公式計算，結合規范要求，獲得焊腳最小值，通過減小焊腳高度以有效減少角變形。此外在上層建筑區域或者有結構防腐要求的情況下，應減少雙面對稱間斷焊和雙面連續焊，適當使用交錯間斷焊。

②在設計生產時，從嚴控制熱加工，可以對變形進行有效控制。然而在焊接時，相應的變形是難以避免的，因而在設計階段可以綜合施工技術工藝研究情況、船體結構情況，在總裝時通過增加焊接余量、提高焊接補償量、富余銑邊余量等方法，提高精度控制來減小焊接變形。對于上建內圍壁可采取壓折半圓槽形替代扶強材的形式，減少薄板結構的電焊火工矯正受熱量，保證艙壁成形平直、美觀。

③由于本艇薄板區域裝件較多，在總體研發設計時應重點關注兩個要點：1）電纜、油管和風管等貫穿件的型材不宜過大，管厚在不影響使用、達到強度需求盡量取較小數值，焊腳也選擇較小數值;2）通風管、電纜架、裝修板架等結構應焊在內部結構上，不應裝焊在外板上，無法避免時可以通過加墊板進行處理。

3.2 存放階段的變形控制措施

薄板存在自身剛度較小，在外界作用下變形明顯的特點，故而應在薄板的貯存、搬運、預處理、切割、堆放等時期，需要盡量減少受力不均勻的情況發生，以免產生非必要的彎曲、變形。

①單張薄板在吊運中必須使用電磁吊，板材上不允許存在裝焊吊碼，不得通過吊碼進行單點吊運，避免產生板材和構件因吊裝產生不必要的變形;板材堆放時，不同規格的板材不得混雜堆放;堆放應當存放在平整的地面，地面不平需在底層鋪設一層底板。

②型材的運輸、貯存和預處理與薄板要求相似，型材可以使用多點吊運，嚴禁使用單鉤吊，轉運則采用托盤的形式。轉運切割完成的零件板材，應當通過托盤轉運，減少變形。

3.3 切割、下料階段的變形控制

①厚度在6mm以下、寬度在3米以內的薄板經過鋼材預處理和數控切割后，要使用九芯輥進行校平，對板材的內應力進行釋放，然后吊裝在鋪有鋼板的胎架上，防止鋼板向下凹陷。

②板材切割時，應當選用小割嘴進行切割，同時對切割速度進行控制，以達到縮小邊緣變形的效果。

③板材局部間隙超差的調整，應采用打磨或鏟邊的方式，禁止采用氣割等熱加工方式進行修正，以避免加熱產生的卷邊等變形。

④型材在下料和裝焊前都必須采用冷作加工的方式矯直，如采用折板機、肋骨冷彎機等設備，不能將變形帶入下道工序。

3.4 拼焊階段的控制措施

①薄板的拼板裝配，拼板須在專用的桁架基礎平臺上進行，平臺平整、剛度良好，焊接前應清理焊接工作臺面。拼板胎架控制在500mm，薄板拼板區域間距縮小為330mm，并對所有拼板胎架調校平整。拼板焊接前拼縫兩端設置壓鐵，減少埋弧自動焊焊后變形。拼板的間隙應該保持在0～0.05cm，剖口邊緣要整齊，不應有錯邊，上下錯邊應不大于板厚的1/3，對接焊縫拼板兩端安裝引弧及熄弧板。

②板材的對位適當利用磁鐵拉馬或者其他非焊接的方式，并將壓鐵或者厚板固定在焊縫的兩邊，工裝距焊縫的距離應盡量靠近埋弧焊設備可行走操作的最小距離，以保證焊后板材的平直度。

③焊接變形與熱輸入成正比。控制變形需要對焊接熱輸入進行嚴格控制，應當采用偏細的焊絲，按焊接規程選擇焊接參數，焊接材料應與母材匹配，并嚴格執行焊接工藝。焊后可用木錘或橡膠錘對焊接板縫進行錘擊，大板需在九芯輥上進行矯正，使焊縫得以釋放焊接內部應力，消除內應力和角變形。

④拼板開孔較多的薄板拼板，既不好吊裝，也不好采用九芯輥矯平，可以將拼板放置于基礎平臺上，采用專用工裝在拼板上輥壓，進行應力消除而達到矯正變形的目的。

3.5 裝焊階段的控制措施

①裝配定位焊質量應滿足正常焊縫質量要求，拼板定位完成后，前對嘴及中間用壓鐵固定，板材兩側用直角馬板固定，間隔保證在20mm左右整個焊接過程使用壓鐵固定，實現線型吻合，控制焊接變形。

②安裝構件時，安裝定位的順序應從中間向四周進行，先安裝縱向的構件，再安裝橫向構件，充分利用工裝件對構件和組件進行組裝，不得使用“門架”進行強制裝焊;構件和板縫的焊接應嚴格遵守焊接技術規格表中的要求，將焊腳高度控制在一定范圍內能有效控制板架變形。

③片體小組立制造區域，來料扶強材直線度不得超過3mm，超出標準的需要用頂床校直;焊前需控制扶強材與板架的裝配縫隙，壁板四周采取卡馬、壓鐵進行固定;焊接工作面積大且扶強材長的結構，焊接時應由中央向前后、左右方向進行，采用分段退焊法，圍繞中心采取跳焊法，不得將焊接點集中在一個區域;焊接時采用雙數焊工對稱焊接，嚴格控制施工人數，一般不可超過6人。

④底部肋板安裝人孔加強圈，可制作簡易工裝平臺，平臺按肋板上的結構位置開槽，使肋板與工裝平臺敷貼，長排桿壓制固定后，進行加強筋和加強圈的焊接，焊接完待肋板冷卻，再拆除固定，輔以火工校直，保證肋板組合件的平整度。

⑤建造分段的胎架基座應當能提供足夠的剛性支撐，并采取固定措施，使胎架不處于自由狀態，縱向模板與橫向模板間距應小于等于80cm;橫向與縱向模板高為25cm左右，厚度應大于1cm，以避免胎架板變形。

⑥胎架制作過程中，為保證甲板、旁板、外底板、內底板制作焊后的平整度，在胎架四周增設圍板，在強結構位置增設胎架模板，固定上胎板與胎架模板，保證上胎板與胎架敷貼，減少上胎板周界的皺褶變形和焊后整體變形。

3.6 熱加工過程的變形控制措施

①在板架焊接中出現的起伏波浪產生變形，應先加熱凹面兩側的骨架背部區域，待矯正接近平整時，采用“長條形”或其他的方法加熱凸起的骨架背面之間進行修正;板格中的凹凸變形，先以較低的溫度對在骨架背面進行加熱，可采用“單線”或“雙線”的方法，再在凹凸變形的交界處進行加熱，加熱方法可采用“十字形”、“短條形”、“長條形”或“中短直形”加熱等方法。建議采用條狀加熱方法，相對于點狀加熱有更快的速度和更高的效率，且點狀矯正容易矯僵板材，所以不建議采用。

②板架邊緣的失穩變形，先通過“長條形”加熱法糾正靠近變形部位的一段骨架處的“瘦馬”變形和起伏波浪變形，再利用“三角形”加熱法糾正板架自由邊緣的失穩發生變形;拼板對接縫的起折變形，先用短條形加熱法，糾正縱向彎曲，再用長條形加熱法，加熱焊縫兩邊糾正起折的變形。

③糾正的操作應自下而上的進行，避免出現由于加熱引起的總體結構變形的局面。變形處于幾幅比鄰并列的狀態時，糾正應間隔一幅進行，通過比鄰板幅的收縮而減小間隔幅內的變形撓度，可以加速板面的糾正。

3.7 翻身、運輸過程的控制措施

①經過預制成形的壁板和甲板，運輸應放置在“門”字形專用托架上，避免轉運時因擠壓等原因產生不同變形。

②拼板長度4m以上壁板翻身吊裝必須使用吊環，吊環應該安裝在加強筋、肋骨或扶墻材上，也可在生產設計時將型材加長做吊環。

③為減少圍壁板的翻身次數，減少發生變形，圍壁以非結構面為拼板面進行拼接，單面自動焊焊接工作完成后翻身到結構面進行焊接，然后進行結構劃線，在焊縫部位適當放置焊接收縮補償量，構件生產裝配焊接后檢查壁板的變形發展情況，需要的話進行火工矯正。

④對于大型的薄板片體或分段，整體結構薄弱，其在進行翻轉的時候中會發生變形，為避免薄板分段在翻轉過程中的扭曲，需設計專用的翻身工裝。

3.8 合攏、搭載階段的控制措施

①風道壁板和甲板段在合攏口的綁材應當在合攏后再進行全面拆除，避免在翻轉吊運時造成自由變形，剩下的綁材應當在結構焊接完成及焊縫合攏后方可移除。

②對于合攏口余量及坡口修割等調整，應當采用軌道式等離子切割機進行切割，無法使用軌道切割的，可使用靠模切割。

③裝配外板合攏縫時，裝配馬腳應當固定在內表面。組件裝配盡量采用拉、壓和頂等方式進行冷加工，合攏縫及結構焊接完成后拆除臨時加固的附件。

④合攏船體應采用單墩、多點和分散式結構支撐，保證船體的受力均勻，以避免地面凹凸等因素造成扭曲變形。

通過嚴格控制現場各階段、各環節，采用合理焊接方法和控制措施，本艇焊接變形可以得到明顯改善，也減少了大量火工作業量，確保了本型產品的外觀和質量。

參考文獻：

[1]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]李樹立，李占文.焊接結構變形控制與矯正[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]汪建華，威新海，鐘曉敏.焊接結構三維熱變形的有限元模擬[J].上海交通大學學報，1994，28（6）：59-65.