船體結構焊接變形的控制與矯正

張寧園 等

摘要：船舶建造過程中的變形是一種常見現象，主要是由于船體結構在焊接后產生的局部和整體變形所導致。如不及時采取有效措施，會造成尺寸偏差、結構失穩、強度降低等后果，給下一階段的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導致工期延長，甚至無法達到規范要求。因此，研究焊接變形產生的原因，采取正確的控制措施，合理地對變形進行矯正，對縮短船舶建造周期，提高船舶建造質量具有重要意義。

關鍵詞：火工矯正 控制 變形 船體結構

1 概述

隨著世界造船業的不斷發展，船舶現代化程度越來越高，在船舶的建造過程中，新技術、新工藝不斷得到應用，我國已經成為世界造船大國之一。船體本身是特殊的，其外形是個空間曲面，在船舶建造和修理過程中為了修正其結構的變形，船體主要是由焊接的鋼結構構成，船廠通常采用火工矯正的工藝方法。

2 船體結構變形原因及形式

船舶建造過程中的變形是一種常見現象，主要是由于船體結構在焊接后產生的局部和整體變形所導致。產生焊接變形最基本和最本質的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構件的剛性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構件剛性條件的約束，出現了壓縮塑性變形。

船體變形可大致分為：發生于焊接結構某部位的構件局部變形，除此之外，還有體變形，即整個結構形狀和尺寸發生了變化。

3 焊接變形的預防與控制

由于焊接變形有可能造成的嚴重后果，我們在船舶建造過程中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預防超標準的變形情況出現。

由于焊接變形有可能造成的嚴重后果，我們在船舶建造過程中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預防超標準的變形情況出現。目前在實際生產中，主要應用以下四種辦法控制變形。

3.1 正確的焊接結構設計

①設計薄板結構時，應校核和提高構件的穩定性，防止波浪變形。②優先考慮型鋼代替鋼板，想方設法提高鋼材的利用率，盡可能減少焊縫數量。③盡可能選取小的焊縫尺寸，在保證結構承載能力條件下，綜合施工工藝的可能性。④為避免焊接后產生扭曲或較大彎曲變形，應盡可能使焊縫對稱于截面中性軸，選用對稱截面的結構。

3.2 合理的裝配焊接工藝

合理的裝配焊接法是另外一種控制總體和結構變形的重要方法。船體裝配應盡可能地在無裝配應力強制下進行。若裝配應力過大，則有可能在未焊接時即產生波浪變形，對薄板構件的焊接裝配尤其需要注意。焊接電流、焊接速度、焊接方向、焊接順序、焊接方法等都會對結構變形產生影響。針對不同的板材及焊接方法，可選取不同的焊接電流與焊接速度，但焊接順序和焊接方向一般來說具有一定的原則性，且對整個船體的變形影響顯著。

3.3 反變形措施

反變形措施也稱為變形補償控制，主要針對船體總尺寸的收縮變形及中垂（或中拱）進行變形量的彌補。目前主要采取的措施是在線型放樣中及胎架上施放反變形量。根據經驗，一般來說可在縱向每檔肋距加放1mm的焊接收縮量，橫向每檔肋距加放0.5mm的焊接收縮量，可較好地抵消總尺寸的縮短；在每檔肋距施放1mm高度反變形，可較好地抵消船體中垂（或中拱）變形。這兩種反變形措施都具有良好的補償效果。

3.4 剛性固定法約束控制

剛性固定法是將構件固定在具有足夠剛性平臺或胎架上，待構件上所有焊縫冷卻后再去掉剛性固定的方法，一般在無反變形的情況實施，多應用于各種船體構件的施焊過程。采取這種措施可使構件的變形遠小于自由狀態下焊接所產生的變形，特別用來防止角變形和波浪變形效果明顯。

4 變形的火工矯正

火工矯正工藝是一種行之有效的矯正變形與消除殘余應力的方法。船體結構的火工矯正，就是利用金屬局部受熱后，所引起的新的變形去矯正原先的變形。當金屬局部加熱時，被加熱處的材料受熱而膨脹，但由于周圍溫度低，因此膨脹受到阻礙，此時加熱處金屬受壓縮壓力，當加熱溫度為600℃～700℃時，壓縮應力超過屈服極限，產生壓縮塑性變形。停止加熱后，金屬冷卻縮短，結果加熱處金屬纖維要比原先的短，因而產生新的變形。

4.1 火工加工在船體建造中的作用

船體結構的火工矯正，從本質上說，是船體零件局部熱加工的逆過程。火工矯正的過程，就是熱處理方法使舊的永久變形轉變為新的永久變形的過程。盡管他們的約束條件有所不同，但基本原理是一樣的。

4.2 火工矯正的主要方法

4.2.1 火工矯正的加熱方法。一般情況下，火工矯正的加熱處總在焊縫對稱的反面，對稱于變形構件斷面的中和軸。加熱時火焰的特性、焰嘴的高低、孔徑的大小、加熱速度等，與矯正變形的效果有著密切的關系，目前，常用的加熱氣體為氧-乙炔氣和氧-丙烯氣。

下面介紹氧-乙炔焰。

火焰的特性：氧-乙炔產生的火焰，有乙炔過剩焰、中性焰和氧氣過剩焰。火工矯正一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有10～20mm長固定的白色亮點，并能清晰看到這個白色的亮點。焰心距離：焰心的距離是指火焰的白亮點到鋼板表面的距離。加熱效率最高的地方，也就是溫度最高處是離白亮點末端3～10mm的地方。所以，焰心與鋼板的距離大小直接影響到加熱的速度和溫度。鋼板厚度與焰心距離的參考數據可參考下表：4.2.2 火工矯正的冷卻方法。火工矯正的冷卻方法分空冷和水冷兩種。

空冷：構件的加熱區，經加熱后在空氣中自然冷卻，這種冷卻速度較慢，僅適應于某些特殊要求的鋼材或冬季施工時。

水冷：構件的加熱區，經加熱后緊接著澆注冷水進行冷卻。這種冷卻能夠加快冷卻速度，提高矯正效率。水冷又分為正面跟蹤水冷和背面跟蹤水冷兩種。特別應注意的是采用水冷之前必須確認被矯正的構件材料是否允許水冷。4.2.3 火工矯正的主要方法。在施工實踐中，要想使火工矯正取得理想的效果，根據結構特點和變形情況，分析變形的原因，確定不同的火工矯正方法。最基本的加熱矯正方法有三角形加熱矯正法、線狀加熱矯正法和點狀加熱矯正法，有時候還需要同時采用兩種或兩種以上的矯正方法。在此基礎上，經過演變火工矯正的方法歸納為下列常用的幾種方法。4.3 火工矯正原理

①利用長條形加熱線橫向收縮比縱向收縮量大的原理進行矯正。②利用溫度沿板厚方向形成梯度分布從而導致熱塑變形的梯度分布的原理進行矯正。例如：對板的角變形的矯正，千萬不要透燒，否則削弱梯度分布，對矯正效果不利。③利用長條形加熱橫向塑性變形起點與終點變形量的差異進行矯正。一般把變形量大的一端放在加熱線的終端，而非始端。④利用剛性約束能加大熱塑變形量的原理進行矯正。如果取水冷卻的火工矯正辦法，讓周圍的金屬盡量保持冷卻以提高周圍約束的剛性，從而增大矯正效果。⑤利用預應力進行矯正。如果用輔助工夾具等，以使冷金屬區域預先有一個附加的應力壓縮加熱區金屬，促使壓縮應力提早達到屈服點，而加快熱塑變形以增大矯正效果。

4.4 火工矯正參數

①火工矯正參數包括火焰性質、火焰功率、加熱溫度、加熱區規格、火焰至工件表面距離；火焰一般采用氧-乙炔焰。②鋼板四邊波浪變形時，加熱長度一般為板寬的1/2～1/3，加熱距離視變形越大，距離越近，一般50～200mm。矯正厚鋼板彎曲變形時，加熱深度不超過板厚的1/3。③加熱點至工件表面的距離應以能獲得最高的熱效率為宜。水火矯正厚度為5～6mm鋼板時，水火間距離為約25～30mm。④低碳鋼火焰矯正時，常采用600℃～800℃的加熱溫度，一般不超過850℃。

5 結束語

綜上所述，船舶建造過程中，變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接變形，并對超出公差要求的焊接變形進行矯正，從而既滿足船舶強度和使用性能，又滿足經濟性要求。

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