船體結構焊接變形控制方法研究

摘 要：變形是船體結構焊接過程中常見的一種質量通病，若不采取有效的處理，對船體后續的焊接及裝配工作的影響較大。本文通過介紹船體結構的特點、焊接變形的原因和影響因素，重點分析了船體結構焊接變形的控制方法，并提出一些有效的措施，以供實踐參考。

關鍵詞：船體；結構特點；焊接變形；控制方法

中圖分類號：U671 文獻標識碼：A

隨著社會經濟建設步伐的加快，我國逐漸成為世界造船大國之一。在船舶建造過程中，許多新技術、新工藝得到廣泛的應用，船舶現代化程度在得到不斷提高的同時，對船舶建造的整體質量也提出了更高的要求。但船舶的船體結構具有一定的特殊性，它在熱傳導過程中其結構內部會產生不均勻的溫度分布，導致船體結構在焊接過程中出現變形的現象，若技術人員不采取有效的措施進行處理，會造成尺寸偏差、結構失穩和強度降低等后果，這不僅在一定程度上耽誤了后續焊接及裝配工作的進度，而且也會影響到船舶的整體質量安全，甚至造成不可換回的損失。因此，船舶建造人員必須重視船體結構在焊接過程中出現的變形現象，最大限度確保船體結構焊接的質量。

1 船體結構特點及其變形產生的原因

船體結構的主要組成部分以骨架和板架兩個結構為主，這兩個原本相互獨立的結構在通過多個連接和焊接步驟處理后才能夠制造出成形的船體結構。但是，由于不同板架和骨架的區域材料性質各不相同，尤其是材料之前的熔點和傳導性質有明顯差異，因此在焊接過程中非常容易出現一個骨架或者板架的內部結構有明顯的溫度不均勻現象分布，這種溫度均勻分布直接造成材料出現不均勻熱應變，最后導致結構形成塑性變形。而且，在進行焊接過程中，一般焊接部位的溫度都非常高，這種非常高的熱量的一旦被輸入后就會非常容易造成焊接變形出現，而且這種焊接造成的焊接變形還有不同的種類，出現何種變形種類與熱量輸入總量、熱溫度場、焊接結構的約束度三者有直接關系。而對于船體結構來說，其結構的各種變形類型以及扭曲程度主要是與焊接方法、順序以及焊接線的性質有關。由于一旦因為操作不當導致焊接變形，那么除了會直接造成船體結構的抗彎強度變弱，還會直接影響到船體的生產效率。避免這種焊接變形的最好方法是，在剛開始焊接時就準確預測有可能出現的變形和變形有可能造成的強度跌落幅度等，然后按照變形后結構的確切強度采取針對性的性能改善措施。比如在制造過程中選用比較有針對性且合適的工藝方法，將制造時間縮短，或者盡可能的減少焊接偏差。

2 影響焊接變形的因素

（1）焊接順序。焊接順序主要是焊接約束力和結構剛性，這種方式是一種直接影響的方式。

（2）焊接方法。焊接方法主要有手工焊接、自動焊接以及氣體保護焊接三種。三種焊接方法的溫度場均各不相同，因此其造成的變形情況也勢必會存在較大不同。但是，通常情況下，自動焊接的變形率比較小，原因是因為自動焊接加熱比較集中，整個受熱區被嚴格控制，遠比手工焊接受熱窄，所以在焊接時也就能夠很好的控制變形率。而氣體保護汗同樣具有加熱較為集中的特點，相比于手工焊接而言變形率更小。這種焊接非常適合在薄板結構中使用。

（3）焊接量和焊接面面積。一般而言焊接量和焊接面面積大小與焊接變形率呈正相關，也就是說數量越多且面積越大，那么焊接受熱面則越加分散，變形率更高。

（4）焊接形式。所謂焊接形式指的是施焊時是采用連續焊接還是斷續焊接的方式，通常情況下，斷續焊接由于中途有時間給熱量輸入緩沖，因此一般變形都比較小。但是連續焊接由于是持續進行，高熱量不斷影響結構，造成結構受熱過度，最后造成嚴重變形。

（5）焊接工藝參數。所謂工藝參數也就是指電壓、電流以及焊接速度等這些指標。一般而言，焊接變形與電流和電壓呈正相關，與焊接速度呈負相關。所以，為了減少焊接變形幅度應該減少電壓和電流參數，同時加快焊接速度。

（6）材料性能。由于不同材料均有各自不同的導熱和比熱系數，有些材料耐高溫性能比較差，有些材料內高溫性能比較高，所以在焊接時就會出現不同材料變形度不同的現象。

3 船體焊接變形的種類

總的來說，焊接結構具有較多中焊接變形類型，但是嚴格來說每一種特殊變形都是由基礎變形演變而成。所以，也就是說船體結構的多種變形類型均是在基礎變形上發展起來的變異型變形。通常可以根據變形的區域范圍分為局部和整體變形兩種。而所謂的局部變形就是單一受熱區域的某個小區域內發生變形，這種變現損害程度較小，且主要是以屈曲形和波浪形為主，可進行矯正。而整體變形則是整個焊接受熱結構形狀均已經發生嚴重變化的現象，這種類型變形以尺寸縮小、形狀變彎曲或者扭曲等程度較大的類型為主。

4 焊接構件剛性條件變化影響因素

（1）構建性能。一般焊接變形嚴重程度與構件剛性呈反比，也就是剛性越強變形越小。

（2）使用胎夾具。胎夾具的主要作用是增加構件剛性，而構件剛性月焊接變形成反比，所以若在焊接過程中對構件使用胎夾具，那么將能夠有效減少變形率。但是，這種方法的缺陷是用時和用料均會增加。

（3）裝配焊接的程序。該因素會影響焊接變形的原因在于其會對不同階段構件的重心位置和剛性產生較大的影響，所以若裝配焊接程序處理不好，那么則會直接影響焊接質量。通常情況下，這種影響因素約束越小那么變形則越大，反正約束越大，那么變形則越小。

5 船體結構焊接變形控制措施

（1）結構設計。船體結構設計過程中是否能夠依照結構焊接變形現象采取有效的控制和應對方法，對于焊接變形的控制有極大作用。通常在船體結構變形設計時采取的控制變形方法有：選擇合理的施工工藝，按照船體結構特點選擇合適的工藝；將船體進行分段，分散焊接變形力度；焊縫時盡量選擇短的焊縫；選用能夠減少焊接次數的結構類型等。

（2）變形提前預測。由于船體結構焊接變形是一個不可避免的現象，所以基于這種特點，為了在變形出現時能夠合理應對，可以在焊接前進行變形預測，然后根據預測結構制定相對應的變形處理方法。常見的變形預測方法有等效載荷法、實驗法以及數值分析法幾種。

（3）施工工藝的合理運用。實際焊接過程中施工工藝運用需要注意的問題：

1）合理應用反變形法。反變形法就是在提前預測結構變形后制定出的一個與焊接變形方向相反的反變形值。這種方法的作用是減少和消除船體分段變形幅度。

2）開展船體裝配時，盡可能在無裝配應力強制背景下進行。

3）選擇高效焊工藝，且焊接時多控制減少雙面焊接和受熱面積以及焊接次數。

4）科學應用剛性固定法。盡管這種方法需要耗盡較多材料、增加施工成本，但是其控制變形效率明顯，在船體結構焊接中應用更是能夠有效控制結構變形。因此，若能夠多加使用該方法，那么將可以有效避免變形矯正施工，且同樣具有控制工期的功能。

5）科學控制焊接參數。盡可能使用諸如CO2氣體保護焊這種較小熱輸入的方法。

6）合理控制裝配焊接順序。實踐經驗表明，如果進行焊接時能夠采取先中間后兩端、先內里后外表、短結構先行長結構后行的方式，那么焊接部位將能夠很好的完成受熱，整個結構會受熱均勻，有力控制變形。所以，為了控制船體結構焊接變形，應按照這種順利進行施工。

6 船體焊接變形的矯正方法

通常而言，為了減少船體結構的變形，在進行船體結構建造時均會通過做好結構設計和施工方法合理選擇的方式來避免和控制焊接變形。但盡管采取這些控制措施，變相還是會存在，主要是由于船體結構建造工藝本身就具有復雜性特點，加上焊接過程也非常容易受到各種主客觀因素的影響，所以這種焊接變形可以說是一種勢必會存在的，無法避免的現象。處理這一問題的方法就是在變形出現后進行進一步的矯正，使其形狀盡可能最靠近原始狀態。一般使用矯正工藝是主要是針對焊接構建的局部變形而言，比較彎曲或者波浪變形，但是對船體的整體變形則一般難以起到很好矯正作用。目前最常見的變形方法主要有火焰矯正法和機械矯正法兩種。

（1）火焰矯正法。該方法的作用原理是在對變形結構的金屬進行火焰加熱，這些加熱部位冷卻后就會出現一種壓縮塑性變形，這種變形是一種不可逆的變形類型，如此就能夠實現矯正變形的目的。但是，需要注意的是火焰矯正法是直接對準構件加熱，且一般均會消耗材料的塑性，所以對于一些脆性比較差的材料而言，這種矯正方法還是慎用為好。另外，在進行火焰集中加熱過程中，必須要非常注意控制加熱溫度，盡可能保持溫度在一個適中的位置，避免溫度過高或者過低影響機械性能和無法實現矯正目的。

（2）機械矯正法。所謂的機械矯正法就是通過外部機械用力施壓與變形結構，使結構恢復原態的一種矯正方正。這種矯正方式相對于火焰矯正法而言具有不會消耗材料塑性的特點。但是，同樣由于該方法會造成金屬的冷作硬化，影響金屬的塑性。所以，一般情況下不能在塑性比較差的材料中使用。這種矯正方法一般使用的機械設備主要有定床、大型油壓機等比較大力的機械設備。

結語

綜上所述，在船舶建造過程中，影響船體結構焊接變形的因素有很多，并且每個基本變形模式的控制因素也十分復雜。因此，船舶建造人員應結合船體結構設計的特點，采用固有應變法對船舶結構的焊接變形進行預測，并制定出一些切實有效的矯正措施，對超出公差范圍的焊接變形量進行合理的矯正，從而最大限度避免焊接變形現象的出行。

參考文獻

[1]鞏新，蘇振國，李丹.論船體結構焊接變形的控制與矯正[J].中國科技博覽，2013（24）.

[2]張寧園，張緒旭.船體結構焊接變形的控制與矯正[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2013（07）.