船體薄板結構焊接變形控制的“前處理”

艾海峰 蔡旭強 黃建勛

（駐七五〇廠軍事代表室 梧州工作組，廣西 梧州 543003）

0 前言

為了減輕自重，提高空間利用率和綜合使用性能，現代船艇大量使用高強度薄板，同時為保證足夠的結構強度，船體內部加強結構增多，焊縫大量增加，使薄板焊接變形問題變得十分突出，并且這種變形將無法完全消除。船體薄板焊接變形主要表現為:板收縮內凹，肋骨框架外露的“瘦馬”變形；范圍較大的波浪變形；局部的凹凸變形等，均是由于薄板抗彎剛度低，在焊接過程中的不均勻加熱和冷卻引起的。由于薄板焊接變形對船艇外觀質量、建造周期、機動性能等均具有重要影響，并且變形本身影響因素眾多、各種因素之間的相互作用復雜，使得薄板焊接變形控制技術成為船體建造的關鍵技術之一，對提高船艇實物質量水平至關重要。

在焊接實施階段，為控制焊接變形，提高焊接質量，通常要嚴格控制焊接方法、參數、材料、順序、人員等，焊接完成后，一般還需要對焊接實施階段的“輸出”采取“后處理”措施進一步減小焊接變形量，如變形矯正、應力釋放等。從船艇結構建造過程來看，策劃評估及裝配施工在焊接實施之前，是焊接實施階段的“輸入”，完整地對薄板焊接變形進行控制，必然還應采取適當的“前處理”措施對焊接實施階段的“輸入”進行控制，忽視策劃評估的基礎性作用和裝配施工的保障作用，往往則會造成薄板結構焊接實施難度增大，焊后處理工作繁重，甚至是結構報廢。本文充分認識到策劃評估能夠有效降低薄板焊接變形控制的潛在風險，而裝配精度與薄板焊接變形控制相輔相成，給出了做好控制船體薄板結構焊接變形控制“前處理”工作的一些原則方法，為提高船艇建造質量提供參考。

1 策劃評估

策劃評估對控制薄板焊接變形具有重要的預防作用。在生產策劃階段必須充分考慮焊接變形控制，盡可能預測焊接變形控制中存在的風險，提前做好預防措施，確保焊接變形矯正的工作量降到最低，減少生產成本。特別對于新研制船艇，設計修改多、建造經驗少，更要重視對船體焊接變形控制的策劃。

1.1 改進建造方法

在對分段和總段的建造進行策劃時，充分利用船廠的傳統經驗和現有條件，堅持從結構焊接變形趨勢可控和工人施焊條件有利的角度進行考慮，確定分段和總段的建造方式與順序。一方面，要優化零部件組裝和分段合攏順序，例如對于建造難度大、經驗不足的分段，可預先建造模擬分段，評估結構建造的可行性和可靠性，還可以采用數值仿真技術提高薄板結構的焊接變形預估和控制精度；另一方面，要優化零部件的焊接順序和焊接方法，例如由內往外焊、對稱施焊，盡可能減少仰焊，靈活采用塞焊、單面焊雙面成型等特殊焊接方法，保證焊接質量和焊接變形的可控。

1.2 優化焊縫布局

在充分了解焊接應力和變形產生的機理的基礎上，合理地制定施工工藝，堅持理論與實踐相結合，做到對焊縫的合理優化。一方面，要減少焊縫數量和長度等，降低焊接熱源對結構的熱輸入，如充分利用板材和型材的規格尺寸；按照標準要求制定船體構件切口及典型節點圖冊，規定焊縫坡口的形狀和尺寸等；另一方面，要優化板縫的布置，如使船體水線以上部分焊縫呈現布局美感；使焊縫對稱于焊件的中心軸；將焊縫靠近強結構，避開高應力區；在焊縫相交中宜采用“十”字接頭，減少或避免“丁”字接頭等。

2 裝配施工

裝配間隙過大，坡口角度過大，均會增加焊接過程中的熱輸入，使得焊后的變形量增大，所以始終要注重裝配精度，切實控制焊縫間隙，形成控制焊接變形的有利條件，為控制薄板焊接變形提供保障。

2.1 精確加工、細心搬運

下料階段的板材和型材尺寸精度，必然會影響后續裝配的精度，并且越往后期越難保證結構裝配精度，因此必須從源頭抓裝配精度。板材在下料前必須矯平，保持板面平整，型材在下料前必須進行矯直。板材切割宜采用等離子水下數控切割，并且要講究余量分布，提高無余量下料裝配率，減少余量切割階段產生的結構變形。對于需要加工線型的板材，必須要加工到位，符合加工精度要求，避免在裝配階段生拉硬拽，增加附加應力。加工后的板材應放在托架上，板材搬吊運時，不允許在板材上直接焊接吊馬，或者不同線型的薄板疊加搬運。

2.2 釋放反變形、增強支撐材

除了在零部件加工階段對有線型的板材考慮加工反變形以及在船臺合攏階段對主船體基線沿縱向適當放反變形外，胎架作為分段、總段制作的支撐基礎，對防止焊接變形過大具有重要的約束作用。胎架應按先橫向后縱向的順序加放縱、橫向反變形，縱向應從中間一檔肋位向兩端并往下釋放反變形，縱、橫向可按1:1000加放垂向反變形余量，并要制作梁拱反變形樣板以便準確釋放甲板梁拱反變形。為防止胎架橫向收縮變形過大，底部分段胎架兩舷外側需加斜撐以作加強，所有分段胎架底座、支柱、斜支撐角鋼加強和縱、橫向連接角鋼必須與“地牛”和胎架焊接牢固，以防止分段制作過程中焊接應力變形。

2.3 提高裝配精度、預防焊前變形

由于焊接結構的剛性是在裝配、焊接過程中逐漸增大的，結構整體的剛性總比它的零部件剛性大，為了盡可能減少薄板焊接變形，所有結構必須安裝完整后方可施焊。在裝配過程中，一方面，要始終注重提高裝配精度，如零部件的加工制作一律應在表面平整、剛度好的平臺上進行，組裝好后的構件應按種類或圖號分裝托盤放好，防止調換錯誤，以備一次性正確裝配；裝配定位宜采用點焊的方式，點焊時盡可能采用小直徑焊條，焊點的大小及間距應適當且均勻，如果點焊尺寸過小或間距過大，在正式焊接過程中可能會裂開，不能起到定位和控制變形的作用；如果點焊尺寸過大和間距過密，在正式焊接過程中增加打磨工作量以及影響施焊的連續性；外板、甲板以及肋骨、隔壁定位，要嚴格對準板縫線、肋骨線、中心線，對接面要平直、光順，裝配誤差過大的構件必須返修或更換（如高度過小或面板角度不對等）；批刨剖口必須認真仔細，保證坡口線型光順，深淺寬窄盡可能一致，以降低焊接過程中熱輸入不均勻的程度，等等。另一方面，要適當采取臨時加強措施，預防焊接變形，如:對于T型材、隔壁板、平臺板、肋骨框架，在制作和搬運過程中必須設置臨時加強支撐；立體總段、甲板半立體分段在裝配過程中要進行輔助支撐加強，如不影響大合攏施工應留至大合攏焊接完畢后再拆除；縱、橫向板縫及板縫交叉處均應適當加排，加強排間距適當，與板縫垂直安裝；在環形大接頭處，甲板面、底部尖窄部位在外表面加排，舷側旁板部位需在艙內部加排，而且當艙內有強結構（如縱桁、中付龍、甲板縱桁等）對接時，腹板一面也應加裝加強排。