船用903薄板焊接變形控制研究

摘要：本文對船體上層建筑采用的較高強度的903薄板焊接變形，提供了行之有效的解決措施，其中的一些措施對其他薄板的焊接變形控制也同樣適用。

關鍵詞：薄板焊接；變形控制

1 引言

船舶為了盡量減輕船體重量，采用了高強度或較高強度的薄鋼板，如上層建筑采用的δ=2.5-4mm較高強度的903鋼板。該鋼板加工、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；同時，上層建筑在設計中不參與總強度計算。這樣對上層建筑的建造來說，防止薄板焊接變形便成了主要的質量問題。

薄板焊接變形主要表現為：產生一根根肋骨構架印形于表的所謂“瘦馬現象”；在縱向呈較大面積高低不平的“波浪變形”；在板格范圍內局部高低不平的“凹凸變形”；由火工和敲打造成的“橘子皮效應”。這些不同形式的焊后變形嚴重地影響了船體的外觀質量。

目前對薄板焊接防變形技術的研究，主要側重于工藝技術的研究。在進行了大量的調查研究和工藝試驗后，在生產中摸索出一套行之有效的控制措施。

2 優化板縫布置，精確控制余量

2.1 板縫布置

在施工設計圖紙上，板縫的布置是根據船舶結構設計和板材的規格來決定的。實際采購的板材規格往往與設計的規格有所不同，需要重新布置板縫；同時設計圖紙中的板縫布置往往對工藝性考慮不周，容易引起焊接變形。所以開工前必須仔細分析板縫布置情況，將實際的數據進行優化排列，以減少焊接引起的彎曲變形。

優化板縫布置的四個原則為：盡量把焊縫布置成與中心軸相對稱；在滿足規范的前提下，把板縫設置在結構件附近，借助結構件的剛性來減少焊縫變形；在多板組成的壁板和平臺盡量使用大板，減少焊縫數量；在焊縫相交中盡量布置成“十”字接頭，避免“T”字接頭的出現[1]。

2.2 余量分布

為了保證薄板結構裝配的尺寸，在傳統的施工工藝中，一般結構都留有一定的余量，留待裝配時再進行切割。這樣的施工方法，雖然能保證分段尺寸的質量，但由于在裝配過程中的二次切割，增加了受熱的變形和內應力，對分段變形的控制和后續工序的施工都帶來了不利的影響。為此，我們改變傳統做法，采取在分段接頭處單邊留有余量，其它位置一律改為不留下料余量，使大部分板材下料剪切一次成功，在施工中可減少加熱次數和加熱量，有效地控制了裝配過程薄板的變形。

3 實行焊后滾平和無碼焊接技術

3.1 板縫焊后滾平

薄板焊接無論事前采取何種預防措施都只能減少變形量而不能消除變形，焊接后變形是難免的。按傳統工序拼板焊后安裝構架，這樣板部位變形很難處理，靠火工校正，一方面很難收到理想效果，另一方面火工多了又會出現橘子皮現象。采取構架安裝前先消除拼板焊接變形的措施，把切割好的薄板放在固定平臺上裝焊，焊后用十三星滾平機滾壓消除焊接變形。由于用機械的方法消除焊縫的焊接變形，減少了火工工作量，也為構架安裝和最終減少總體變形打下了基礎[2]。

3.2 推行無碼焊接

在以往的造船中，焊了許多拉碼把鋼板固定于胎架上是保證線型和防止變形的主要工藝，這種方法給薄板帶來的碼腳印和弧坑，需進行大量的割、批、補、磨等工作，既增加了變形又損傷了鋼板。為改變這一狀況，采用無碼焊接技術，可有效控制薄板焊接變形。現行施工工藝采用的無碼焊接工藝是：

（1）使用磁吸碼，用磁力把鋼板固定于胎架上，不至損傷鋼板，也避免了繁雜的修補工作。

（2）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。

（3） 先裝構架后焊板縫，確實需要在胎架上焊接的板縫，也要改變傳統的先焊板縫后裝構架的做法，采用拼板后先進行構架安裝，裝好構架后一起燒焊，利用構架來限制板的焊接變形。

（4）限制使用工藝拉條，在上層建筑分段、總段裝配中不輕易采用焊拉條和支撐，盡量利用縱橫壁板自身相互的支持來實現定位，必須要焊支撐或拉條時也只能焊在構架上，絕不允許焊在板中。

4 實施全方位CO2氣體保護焊

薄板的焊接變形是因為板材受到不均勻的局部加熱和冷卻的影響，內部產生了不均衡應力所引起的，變形的大小與輸入的熱量有密切的關系，減少熱量的輸入是控制變形的有效措施。采用下面公式計算手工焊和CO2保護焊的能量輸入：

Q=0.2ηUI/V

式中：

Q為焊縫焊接線能量；

η為電弧熱利用系數：手工焊η=0.65～0.85，CO2氣體保護焊η=0.75～0.90；

U為電弧電壓：手工焊U=29～31V，CO2氣體保護焊U=20～22V；

I為焊接電流：手工焊I=130～260A，CO2氣體保護焊I=150～180A；

V為焊接速度：手工焊V=10～20 cm/min，CO2氣體保護焊V=20～50 cm/min。

經計算，對2-4 mm的薄板，采用CO2氣體保護焊的線能量僅為手工焊的30-40%，可見用CO2氣體保護焊對控制焊接變形是十分有效的[3]。

5 嚴格控制和準確使用火工技術

火工校正是薄板防變形技術的最后一道措施。但火工校正是一理論性強、技術復雜的工作，用得不好反而給薄板帶來新變形和新問題。我們經過大量試驗研究和建造實踐，摸索出一套對903薄板變形矯正行之有效的辦法。明確了不同的變形要選擇不同的加熱方法（主要用條形法、圓圈法、鏈狀法和“十字法”）來解決，不同結構和不同部位要采用不同的方式處理，同時其操作方法和選擇工作參數也不同，對不同板厚的903板選擇的工作參數如表1所列。

采用火工校正方法的原則如下[4]：

（1）下料和構件組裝所產生的變形必須校正后再上分段安裝；

（2）在分段建造完成后只對骨材吊裝接口邊緣的變形進行火工校正，減少火工加熱次數；

（3）在校正施工中要嚴格執行規定的工作程序和選定的火工參數，特別是要嚴格控制加熱溫度不得隨意更改；

（4）絕對禁止用鐵錘敲擊，必須錘擊時只能用木錘和塑料錘；

（5）903鋼板溫度在200-350℃區間為藍脆區，在該溫度內禁止任何形式的錘擊，以免產生微裂紋；

（6）對板的局部凹凸變形采用小火圈加熱形式，火圈直徑為20毫米，從外到內，火圈疏密視情況而定；

（7） 板的縱向波浪在加強材兩側邊緣條形加熱火路距離構架5毫米，采用隔檔加熱的辦法控制總體變形；

（8）構架變形可采用加外力和燒火結合的辦法，用外力幫助校正變形； 板縫角變形用條形加熱法； 同一部位加熱次數不得超過3次。

上面提及的四個方面是解決903薄板焊接防變形的主要措施。實際生產中還應采取其（下轉第頁）（上接第頁）它措施：如采用先滾平再剪切下料；對扭曲變形的板，先火工校正再滾平下料，下料后再次滾平，最后送去裝配。考慮到薄板從下料到裝配、焊接成型需要多次吊運，以往吊運引起變形也相當嚴重，所以必須改進吊運方法和條件，在薄板加工全過程吊運采用磁吸吊機，對加工后尺寸大小不一或有形的工件采用專制鋼板吊架床轉運。采取這些措施，可有效控制吊運環節產生變形。在上層建筑分段制作中還采用預舾裝工藝等，這些都是有效控制薄板焊接變形的措施。

6 結束語

采用上述綜合措施后，最終質量明顯提高：上層建筑、壁板平臺板光順平直，沒有瘦馬現象，沒有橘子皮出現，沒有明顯的波浪變形，沒有碼腳印痕和電弧坑。經過實船測量，兩肋間的局部變形幾乎為零，不管焊縫部位還是非焊縫部位，只有個別位置有局部變形，其最大值都沒有超過規范的要求。 在火工后對整幅壁板的變形測試，所有內外縱橫壁板從頭到尾整幅直線度最大偏差也只有5 mm左右。

參考文獻

[1] 陳可越， 船舶設計實用手冊， 中國交通科技出版社， 2007.8

[2] 谷莉.減少薄板變形的幾點措施， 甘肅科技[J]， 2003.12

[3] 霍曉敏， 唐清山—二氧化碳氣體保護焊在薄板焊接中的應用，四川建

筑科學研究， 2009.12第6期

[4] 船舶工藝手冊， 國防工業出版社出版， 1978

[5] CBT4000-2005， 中國造船質量標準