影響船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的因素及消除分析

程若玲 邢一鳴

摘要：焊接技術(shù)是船舶制造行業(yè)的主要生產(chǎn)技術(shù)之一，在生產(chǎn)船舶時(shí)每一道工序都需要應(yīng)用該技術(shù)。基于此，本文著眼于船舶生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用的焊接結(jié)構(gòu)件，對(duì)其使用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，還闡述了船體焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力影響因素，并論述了消除焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的方法，希望能為相關(guān)工作人員帶來(lái)參考。

關(guān)鍵詞：船舶制造;焊接結(jié)構(gòu)件;焊接技術(shù);殘余應(yīng)力

0前言

船體焊接結(jié)構(gòu)件是建造船舶的重要工具，但是在其使用環(huán)節(jié)卻極容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力，這將會(huì)對(duì)焊接工作的開(kāi)展質(zhì)量和船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生深刻影響。為此，相關(guān)工作人員應(yīng)該在實(shí)踐作業(yè)環(huán)節(jié)深入研究船體焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力影響原因，并基于其成因和影響因素找到解決這一問(wèn)題的方法，為提高船舶生產(chǎn)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1船體焊接情況概述

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，船舶屬于大型焊接結(jié)構(gòu)，制造船體時(shí)需要使用大量焊接結(jié)構(gòu)件，它們的主要由焊接接頭構(gòu)成，在每一道工序之中都能得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)焊接工作人員而言，可選用焊接工藝、焊接控制技術(shù)、焊接材料是保障工作有效性的關(guān)鍵。目前，在船體焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用過(guò)程中，常常出現(xiàn)殘余應(yīng)力問(wèn)題，這一問(wèn)題嚴(yán)重影響了船體焊接結(jié)構(gòu)件的使用性能，導(dǎo)致其強(qiáng)度以及韌性下降，加劇了船體生產(chǎn)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[1]。在實(shí)踐中，因船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力而導(dǎo)致的焊接結(jié)構(gòu)裂縫或斷裂問(wèn)題并不少見(jiàn)。

2殘余應(yīng)力成因和影響因素

2.1? 焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力成因

在船舶制造環(huán)節(jié)，船體結(jié)構(gòu)焊接工作的開(kāi)展需要經(jīng)歷標(biāo)準(zhǔn)流程，而最為重要的開(kāi)展方式就是金屬局部加熱。在應(yīng)用這種方法時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)件將出現(xiàn)溫度分布不均問(wèn)題，焊縫的周邊區(qū)域和金屬都將經(jīng)歷熱循環(huán)，在熱脹冷縮的作用下金屬會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)約束狀態(tài)，最終會(huì)引發(fā)船舶焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)殘余應(yīng)力。目前，船體焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力主要有兩種類型：

（1）???? 因自平衡而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，船體焊接結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部區(qū)域眾多，當(dāng)出現(xiàn)區(qū)域間自平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在實(shí)踐中，大部分的船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力都源自于此。而且，當(dāng)出現(xiàn)焊接接頭加熱過(guò)度不均或彈塑性變形時(shí)，十分容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

（2）???? 因缺陷而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。船體結(jié)構(gòu)由多個(gè)焊接件組合而成，而在其焊接過(guò)程中極容易出現(xiàn)參數(shù)不合理問(wèn)題。比如，焊接結(jié)構(gòu)件尺寸不規(guī)范，裝配尺寸不融洽。這種不合理，會(huì)嚴(yán)重影響裝配工作質(zhì)量和精度，因此類型缺陷而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會(huì)為船體焊接工作的正常開(kāi)展帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2.2? 影響因素

雖然，在上文中我們對(duì)船體焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力成因進(jìn)行了闡述，但是殘余應(yīng)力并非只受到上述兩種因素的影響，在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，船體焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的影響具有多樣性的特征。

2.2.1????? 溫度影響因素

在船體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，不同區(qū)域的焊接溫度要求不同，這也就使得焊接工作的開(kāi)展存在溫度差異性。而這種差異性會(huì)導(dǎo)致船體焊接結(jié)構(gòu)因熱度分布不均而出現(xiàn)膨脹量差異。金屬受熱會(huì)出現(xiàn)膨脹，但在其冷卻以后將對(duì)膨脹部分進(jìn)行約束，進(jìn)而使其呈現(xiàn)熱脹冷縮的狀態(tài)，但當(dāng)二者無(wú)法同步進(jìn)行時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)變形，還會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

2.2.2????? 剛性影響因素

船體焊接結(jié)構(gòu)的剛性可以有效約束結(jié)構(gòu)的自由膨脹能力，這種約束性將會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)接頭變形或使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在實(shí)踐中，焊接結(jié)構(gòu)的剛性大小與殘余應(yīng)力的產(chǎn)生幾率和大小息息相關(guān)。大部分情況下，船體由高強(qiáng)度鋼焊接而成，整體結(jié)構(gòu)剛性大，其產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力也相對(duì)較大。

2.2.3????? 尺寸影響因素

實(shí)際上，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力有三種類型，分別為橫向殘余應(yīng)力、縱向殘余應(yīng)力和板厚方向殘余應(yīng)力。這三種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布都與焊接結(jié)構(gòu)的尺寸息息相關(guān)，所以在實(shí)踐中尺寸也是不容忽視的焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力影響因素。

3船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的消除方法

3.1? 優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝

科學(xué)的設(shè)計(jì)方案以及施工工藝是消除船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的有效方法。在這一環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該合理選用焊接型材和焊接方法[2]。比如，優(yōu)先選用較薄的型材，以T形接頭代替十字接頭，應(yīng)用剛性小的接頭形式等。在設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)，還應(yīng)盡量避免出現(xiàn)多結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接，并保證焊縫布置合理。

3.2? 理順焊接程序

在實(shí)踐中，基于CO2保護(hù)焊，并保證優(yōu)先焊接的焊縫不能對(duì)其他焊縫產(chǎn)生剛性約束。焊接時(shí)，應(yīng)基于中間、左右和中間、收尾的順序作業(yè)，并由下至上開(kāi)展對(duì)稱焊接。在船體焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)用環(huán)節(jié)，施工人員需要優(yōu)先完成收縮量大的焊縫焊接工作。

3.3? 合理選用方法

除了對(duì)焊接設(shè)計(jì)方案和工作流程加以優(yōu)化，相關(guān)工作人員還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇有效的殘余應(yīng)力消除方法：

（1）???? 溫差拉伸法。此方法常用于高精度船舶制造工作，也可被應(yīng)用在荷載大的船體焊接結(jié)構(gòu)當(dāng)中。在實(shí)踐中，溫差拉伸法可以用在船體分段制造裝配階段。焊接人員需要以氧- 乙炔焰加熱焊縫兩側(cè)，并同步完成噴水冷卻，進(jìn)而達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。

（2）???? 機(jī)械拉伸法。這種方法適用于壓力容器類構(gòu)件，應(yīng)基于焊接方向加載，使得焊接區(qū)存在高拉伸殘余應(yīng)力，并讓周邊出現(xiàn)拉伸塑性變形，那么在卸載以后焊接區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力將會(huì)被消除。此時(shí)，相關(guān)工作人員可以基于△σ=σ0-（σs-σ1）計(jì)算殘余應(yīng)力消除量，其中以△σ表示結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力消除量，σ0表示外加應(yīng)力，以σs表示材料屈服應(yīng)力，以σ1表示接頭拉伸參與應(yīng)力。

4結(jié)論

在船舶制造行業(yè)當(dāng)中焊接結(jié)構(gòu)件存在殘余應(yīng)力的情況并不少見(jiàn)，其產(chǎn)生原因和影響因素較為多樣，可以對(duì)船舶制造質(zhì)量產(chǎn)生深刻影響。為了能消除殘余應(yīng)力，相關(guān)工作人員應(yīng)該在實(shí)踐中保障設(shè)計(jì)合理性、焊接科學(xué)性，并選用合理的殘余應(yīng)力消除方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 趙健.影響船體焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的因素及消除方法研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2020，17（01）：139-140.

[2]?? 王小博，張旭東，李昊丞.去應(yīng)力退火對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力與力學(xué)性能的影響與分析[J].航天制造技術(shù)，2019（05）：29-32.

作者簡(jiǎn)介：

程若玲（1992年 12月），女，上海人，本科，助理工程師，船舶與海洋工程方向.