薄板浮式箱體焊接變形控制技術

黃新磊，余文明，徐彪，盧康，彭旭

（中國船舶重工集團應急預警與救援裝備股份有限公司，武漢430223）

1 引言

浮箱在軍事和民用領域中應用非常普遍，特別是水上應急交通、工程搶建搶修、臨時便民通道等。根據應用場景需求不同，浮箱采用不同的結構設計制造，外板厚度也分為薄板和厚板，通常板厚在1.5 ～4mm對屬于薄板區域，焊接變形較大，控制起來相對困難，需要提前預設焊接變形工藝方案。在某圍堰修復項目中采用的浮箱由于質量限制，箱體設計時采用了高強度的薄鋼板，如BS700、DB685等鋼板，加工、裝配后有較大的內應力，焊接后會比普通鋼板產生更大的變形，焊接生產制造難度較大，如何防止和控制薄板焊接變形是一個突出問題。

2 薄板箱體結構簡介

某薄板箱體主要由甲板分段、底板分段、側板分段、端板分段、上部連接裝置和下部連接裝置等組成，如圖1所示。

圖1 某圍堰箱體示意圖

薄板箱體具有如下特點：

1）單個外形龐大，能夠拼裝成水上大型浮體；有較高的水密性要求；

2）要滿足水上承載通行時所需要的剛強度要求；

3）箱體為框架式薄板結構，即采用薄鋼板由橋梁結構及網格狀加強筋焊接組成的箱體，由薄板內部加T形或L形筋組成，如圖2所示。

圖2 浮箱甲板、底板分段結構示意圖

3 薄板構件焊接變形的原因、分類和變形控制技術

薄板的焊接變形控制是焊接領域的技術難題之一，在薄板整體結構的制造中，焊接變形具有因材料和結構的不同而有較大差異的特點，焊接變形的控制效果直接影響到構件乃至產品的性能質量。因此，如何有效地控制焊接變形，提高構件制造尺寸的完整性，一直是薄板結構制造的關鍵技術問題[1]。

3.1 薄板構件焊接變形的原因、分類

在薄板結構的焊接過程中，焊接變形與焊接設備、焊接技工操作水平有關。焊接變形的主要分類如圖3所示。

圖3 典型結構的焊接變形分類

3.2 焊接結構變形的主要因素

經過實際分段焊接發現，主要變形與材料、加工以及結構本身相關性較大。

1）材料：是材料本身的特性決定，與其他因素無關。需要經過長期的焊接試驗以及培訓掌握材料特性，減少焊接影響。

2）制造：屬于工藝影響，與工廠設備、人員熟練度、焊接選擇的焊接方法有關。

3）結構：在開始設計時就需要考慮結構是否合理，加強筋位置是否合適。

3.3 常用焊接變形工藝控制方法

通常的焊接變形控制技術是在材料和結構特性既定的情況下，采用合理的工藝措施和手段，在焊接過程中主動和焊后被動地控制焊接變形，焊接變形的多樣性與焊接變形的多因素交互作用，導致了控制焊接變形技術的復雜性。工藝常用控制焊接變形方法如下：

1）反變形法：反變形法是生產中常用的方法，它是按照事先估計好的焊接變形大小和方向，在裝配時預加一個相反的變形，使其與焊接產生的變形相抵消。也可以在構件上預制出一定量的反變形，使之與焊接產生的變形相抵消來防止焊接變形。

2）選擇合理的裝配焊接順序。

3）剛性固定法：用各種工藝辦法增加構件剛性，限制產生焊接變形，但剛性固定會產生較大的應力。

4）預拉伸法。

5）熱平衡法。

6）散熱法。

7）合理選擇焊接方法和焊接參數。

8）低應力無變形焊接法。

3.4 焊接變形矯正法

在本次生產過程中，采用機械矯正和火焰矯正2種方式對比進行。

機械矯正法是通過施加外力減少焊接結構的塑性變形。通過試驗發現，塑性良好的材料，機械矯正過程會比較順利。對于甲板分段、總裝結構等無法進行冷矯正的部件，可采用火工矯正。

火工矯正法主要是對結構局部加熱，然后進行局部冷卻。結構獲得不可逆的壓縮塑性變形，火工校正是一理論性強、技術復雜的工作，用得不好反而會給薄板帶來新變形和新問題[2]。

4 控制和減少薄板箱體焊接變形的措施

根據薄板構件焊接變形知識，綜合分析某薄壁箱體結構特點，結合實際制造工藝條件，制定并在實踐中不斷完善了一系列控制焊接質量和焊接變形的制造工藝措施，有效地控制了薄板箱體焊接變形。

4.1 選擇合理的裝配焊接順序

將薄板箱體分解成甲板分段、底板分段、側板分段、端板分段等單分段焊接，單片分段焊接變形在總裝前校正后再上總裝胎架，減少總裝焊接變形。將箱體各部位分成10余個分段或總成進行單片焊接矯正，為了提高單片焊接質量，要求單片在胎架上組合焊接，為了做好分段火焰矯正，制作了矯直平臺、平錘、壓杠等工具，有效提高了矯正水平。

4.2 剛性夾具固定法

單片分段焊接時，采用了各種方式壓固裝置（胎架、夾具），用剛性固定法減少焊接變形。裝配、焊接時，采用胎架、夾具固定，避免自由狀態下施焊。

箱體制造時，大量采用各類工裝夾具，在保證總體尺寸、關鍵件安裝尺寸的同時，可以有效減小焊接變形。以壓代拉，在平臺或胎架上安裝板材時，采用壓鐵壓緊來實現線型吻合和防止變形。剛性加固將箱體前后線型還有箱形梁連接部位牢牢與平臺固定，如圖4所示。

圖4 浮箱底板分段胎架裝焊

4.3 合理選擇焊接方法和焊接參數優化焊接參數

薄板焊接時，要選擇合適的焊接參數。在節點形式、焊縫布置、焊接順序確定的情況下，選用半自動氣體保護焊等能量密度相對較高的焊接方法并采用較小的熱輸入。

4.4 反變形法

箱形梁是與箱體連接并且作業時承重的重要部件，要保證其連接部位的尺寸精度，并要保證其焊縫質量。根據經驗，制造過程采用反變形法，將前后箱形梁加大間距，比設計尺寸大3～4mm，實際焊接后測量達到圖紙要求[3]。

4.5 嚴格控制焊縫裝配間隙

焊接構件裝配時,要盡量減小裝配間隙，由于間隙小，不僅可以提高構件剛性，還可以減小焊縫截面和焊接熱輸入。實踐證明，嚴格控制焊縫裝配間隙是薄板構件減少焊接變形的有效措施。

4.6 火焰矯正

單片分段焊接時，采用了各種方式壓固裝置，用剛性固定法減小了焊接變形。焊接后，大多還有較嚴重的焊接變形，必須進行矯正。火工矯正在局部原點加熱，同時輔助以外力，通過加熱凸起部分并錘平，不斷重復操作達到矯正目的。

5 結論

某薄板箱體的焊接生產采用以下措施可有效控制焊接變形，提高構件制造尺寸的完整性，是制造的關鍵技術。

1）將大薄板構件分成若干小單片分段，先焊接單片分段，有變形時，要進行機械或火焰矯正，矯正后方可裝配到箱體上，減少箱體焊接時的焊接量和焊接變形；

2）不論單片分段還是箱體，大部件焊接時要將部件牢固地壓緊在平臺或剛性強的胎架上，以減少部件變形；

3）采用細絲氣體保護焊，小電流，減少熱輸入，減少焊接變形；