影響船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的因素研究

劉明廣

摘 要：船舶作為一種大型焊接結(jié)構(gòu)，其建造中的各個(gè)工序均有焊接結(jié)構(gòu)件的大量應(yīng)用，而焊接結(jié)構(gòu)件的主要構(gòu)成部分是焊接接頭，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響接頭的性能，降低船體構(gòu)件的韌性和強(qiáng)度，并且可能導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)裂縫甚至斷裂。因此，采取有效控制措施降低或消除焊接殘余應(yīng)力對(duì)增加船體構(gòu)件整體穩(wěn)定性，確保船舶建造質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，本文就影響船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的因素進(jìn)行簡要闡述。

關(guān)鍵詞：船體焊接;結(jié)構(gòu)件;殘余應(yīng)力

1 船舶焊接殘余應(yīng)力的形成原因

在焊接船舶金屬結(jié)構(gòu)過程中，通常采取金屬局部加熱方式，致使焊接時(shí)構(gòu)件溫度分布不均衡，焊縫、焊縫周邊區(qū)域以及近縫區(qū)的金屬都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)熱循環(huán)過程：加熱→融化→冷卻、凝固，而金屬的熱脹冷縮在焊接時(shí)處于強(qiáng)約束狀態(tài)中，從而造成船體結(jié)構(gòu)金屬產(chǎn)生極具復(fù)雜性的殘余應(yīng)力和變形。

焊接殘余應(yīng)力基本上分成兩種：（1）因結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生不同區(qū)域間自平衡的殘余應(yīng)力。（2）在船舶整體結(jié)構(gòu)中，由于強(qiáng)行裝配尺寸不融洽的各個(gè)部件以及在控制結(jié)構(gòu)裝配精度方面的缺陷而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。前者產(chǎn)生的焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力極為普遍，應(yīng)作為研究重點(diǎn)。此類殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，與焊接接頭部位極不均勻加熱以及彈塑性變形緊密相關(guān)。

2 船舶焊接殘余應(yīng)力的影響因素分析

2.1 焊接時(shí)極不均勻的溫度分布

在焊接過程中，焊接區(qū)域不同的部位，其溫度也會(huì)有所差異，溫度分布的不均勻會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹量。而冷卻時(shí)，周圍金屬將約束膨脹部分的收縮，致使熱脹冷縮無法同步，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。

2.2 焊接結(jié)構(gòu)的剛性大小

焊接結(jié)構(gòu)自身的剛性對(duì)加熱（冷卻）時(shí)的自由膨脹（收縮）存在約束性，以致焊接接頭中形成應(yīng)力與變形，而焊接結(jié)構(gòu)的限制條件、力學(xué)性能與其剛性的大小密切聯(lián)系。當(dāng)前，船體用結(jié)構(gòu)鋼大多采用高強(qiáng)度鋼，加之大量的封閉焊縫存在于船體板殼結(jié)構(gòu)中，因此結(jié)構(gòu)的剛性較大，極易形成較大的焊接殘余應(yīng)力。

2.3 焊接結(jié)構(gòu)的尺寸

焊接殘余應(yīng)力在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中是極具復(fù)雜性的三向應(yīng)力，分別為：

（1）橫向殘余應(yīng)力。主要作用于焊縫及其周邊區(qū)域，橫向殘余應(yīng)力的分布同焊接順序、焊接方向緊密相關(guān)。

（2）縱向殘余應(yīng)力。其分布特性為焊縫及其周邊區(qū)域、兩側(cè)分別受拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。由于裝焊船體外板的結(jié)構(gòu)具有較大的尺寸，因此會(huì)有較大的縱向殘余應(yīng)力。

（3）板厚方向的殘余應(yīng)力。板厚增大的情況下，大量的焊縫構(gòu)成焊接接頭，而后焊的單道焊縫受到先焊的單道焊縫的限制作用，導(dǎo)致在板厚的不同部位上，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的值有所差異，進(jìn)而形成沿板厚方向的復(fù)雜分布。船舶焊接殘余應(yīng)力的影響因素諸多，除上述幾方面以外，結(jié)構(gòu)中焊縫的位置、焊接方向以及焊接速度等均會(huì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，而焊接殘余應(yīng)力的存在不但造成船體焊接結(jié)構(gòu)件性能下降，難以保證船舶建造質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致船舶使用過程中突發(fā)脆性斷裂。為此，在船體構(gòu)件裝焊過程中，最大程度上降低或消除殘余應(yīng)力是需要解決的一個(gè)重要問題。

3 消除船體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的方法探究

鑒于船體建造過程相對(duì)復(fù)雜，需根據(jù)不同階段裝焊特點(diǎn)采取針對(duì)性的措施進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的減少或消除。而從造船經(jīng)濟(jì)、周期等角度考慮，對(duì)所有船體焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力進(jìn)行消除不太現(xiàn)實(shí)，通常而言：1）結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力腐蝕危險(xiǎn)。2）結(jié)構(gòu)對(duì)剛度、尺寸精度有較高的要求。3）焊接后結(jié)構(gòu)具有較多的加工量。4）厚截面復(fù)雜結(jié)構(gòu)在工作、安裝和運(yùn)輸時(shí)有遇到低溫的可能性，出現(xiàn)脆性斷裂危險(xiǎn)。5）壓力容器厚度超過一定限度。上述幾種情況下的船體焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力的消除應(yīng)特別注重，具體的船舶焊接殘余應(yīng)力的控制與消除方法包括以下幾方面。

3.1 改進(jìn)船舶設(shè)計(jì)、施工工藝，降低焊接殘余應(yīng)力

船舶設(shè)計(jì)方面降低焊接殘余應(yīng)力的方法包括：1）盡量采用T形接頭、平板替代十字接頭、弧形板，盡可能使用厚度較小的型材，避免多結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接，加強(qiáng)筋若設(shè)計(jì)，無明確要求則少用，同時(shí)輔助焊縫尺寸最好采用與設(shè)計(jì)要求相一致的最小尺寸，采用具有較小剛性的接頭形式。2）最大限度縮減焊縫尺寸及其數(shù)量，將焊縫分散化，避免焊縫集中。3）拉應(yīng)力的殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)防止出現(xiàn)未熔合、未焊透等幾何不連續(xù)性的情況。4）焊縫的布置最好不要設(shè)置在應(yīng)力集中或極易產(chǎn)生變形的區(qū)域。施工工藝方面盡可能地保證均勻的溫度分布，采取的措施包括焊接方向、順序合理，分散殘余應(yīng)力;通過局部加熱法、反變形法使局部剛度下降。

3.2 采用合理的焊接程序，減少焊接殘余應(yīng)力

首先對(duì)焊接材料進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)使用要求準(zhǔn)備支撐電極、焊機(jī)和焊劑。對(duì)電機(jī)表面要保持清潔，清除其表面的粉塵和油污，確保焊接表面處于干凈的狀態(tài)。焊接不同等級(jí)的鋼時(shí)，應(yīng)選用不同的電極材料，并在使用之前，對(duì)其進(jìn)行檢查，與合格證書進(jìn)行型號(hào)核對(duì)。在施行焊接之前，要特別注意機(jī)械強(qiáng)度高的焊接，并進(jìn)行接縫與焊接條的優(yōu)化匹配。要注意焊接的坡口、裝配間隙等的測(cè)量。應(yīng)詳細(xì)檢查焊接師傅的資格。焊接技術(shù)人員的焊接能力與崗位職責(zé)也分為不同類型。值得注意的是，焊接技術(shù)人員的資質(zhì)能力要滿足對(duì)船體焊接技術(shù)的了解，并要求技術(shù)人員要通過測(cè)試，并將解釋結(jié)果進(jìn)行存檔。

焊接工藝選用CO2氣體保護(hù)焊，焊接程序需堅(jiān)持的原則是優(yōu)先焊接不會(huì)對(duì)其他焊縫形成剛性約束的焊縫。合理的焊接程序?yàn)榭v橫構(gòu)架間的焊縫焊接→采取由內(nèi)到外的方式焊接船體外板、甲板的對(duì)接焊縫→構(gòu)架、船體外板、甲板的連續(xù)角的焊縫焊接。船體焊接所有焊縫以由中至左右，從船中至首尾，從下向上進(jìn)行對(duì)稱焊接。焊接船體各個(gè)構(gòu)件時(shí)，優(yōu)先焊接具有較大收縮量的焊縫;低溫環(huán)境下，先將接縫預(yù)熱烘干后再進(jìn)行焊接，倘若多層焊接無法一次完成，需要通過保溫緩冷的方式來降低焊接殘余應(yīng)力。

3.3 消除焊接殘余應(yīng)力

3.3.1 溫差拉伸法

溫差拉伸法主要應(yīng)用于對(duì)建造精度有較高要求或受載荷較大的結(jié)構(gòu)。在船體分段制造階段、總段裝配階段局部采用溫差拉伸法：焊縫兩側(cè)均使用一個(gè)寬度適宜的氧-乙炔焰加熱，同時(shí)距離焰炬后方特定處噴水冷卻。操作者需做到噴水管與焰炬同步進(jìn)行，以較好的消除焊接殘余應(yīng)力。

3.3.2 機(jī)械拉伸法

壓力容器類構(gòu)件應(yīng)用此法較為合適。沿焊接方向?qū)附咏Y(jié)構(gòu)加載（施加拉伸荷載），拉伸焊接壓縮塑性變形區(qū)，焊接區(qū)會(huì)有高拉伸殘余應(yīng)力，其周邊將產(chǎn)生拉伸塑性變形，焊接區(qū)拉伸殘余應(yīng)力在卸載后得以消除。所加載荷的大小決定了殘余應(yīng)力的消除量△σ，對(duì)足夠?qū)挵宓膶?duì)接接頭，△σ能夠根據(jù)下式計(jì)算：△σ=σ0-（σs-σ1），σ0，σs，σ1分別為外加應(yīng)力、材料屈服應(yīng)力以及接頭的拉伸殘余應(yīng)力。

3.3.3 熱處理法

熱處理法通過對(duì)焊件局部（整體）進(jìn)行焊后熱處理，從而最大限度地消除焊接殘余應(yīng)力，主要應(yīng)用在船體建造部件裝焊階段，是一種有效且常用的方法。但船體構(gòu)件熱處理產(chǎn)生的譬如可能改變船用高強(qiáng)度鋼的組織結(jié)構(gòu)，影響并惡化其性能等一些負(fù)面影響也需要注意。此外，作為一種非熱處理法，脈沖磁處理法可應(yīng)用于船體建造的各階段，能夠有效消除焊接殘余應(yīng)力。

結(jié)語：船體構(gòu)件裝焊過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對(duì)船舶建造質(zhì)量及其使用性能造成的影響不可小覷，分析船舶焊接殘余應(yīng)力形成原因及其影響因素，從而針對(duì)船體不同建造階段采取能夠提高焊接質(zhì)量的改良方法，從而最大限度地減少甚至消除焊接殘余應(yīng)力，增加整個(gè)船體構(gòu)件的可靠性，保證船舶建造質(zhì)量。

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