船舶建造焊接收縮量統計方法

王 星，姜 雷，陳 龍

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

船舶建造焊接收縮量統計方法

王 星，姜 雷，陳 龍

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

焊接作為一個不均勻的加熱過程，焊后往往存在焊接殘余應力和焊接變形。焊接收縮是最常見的焊接變形。現代造船業倡導的是精度造船，通過加放焊接收縮補償量達到無余量建造、無余量搭載的目的。通過現場實際數據的測量統計，后期總結分析，得到行之有效的統計方法，建立健全船舶企業焊接收縮數據庫，進而通過優化補償量體系改進生產工藝，達到精度造船的目的。

焊接變形；焊接收縮量；精度控制

0 引言

精度造船在我國的研究推行已經有了四十多年的歷史，經歷了一個曲折坎坷的發展過程。目前精度造船主要應用于船體建造階段，用補償量來代替余量，達到無余量建造、無余量搭載的目的。因此，補償量的確定是船體精度控制中的核心內容，補償量的加放恰當與否，將直接關系到船體精度控制的成敗。而在補償量體系的構成中，對于焊接收縮變形的補償是最重要的一個環節[1]。

在焊接過程中，由于焊接接頭區域受不均勻的局部加熱和冷卻，其膨脹和收縮又受到周圍低溫金屬的牽制而不能自由進行，這就是產生焊接應力和變形的根本原因，其次是由于焊縫金屬收縮、金屬組織的變化及焊件剛性的不同所致。另外，焊縫在焊接結構中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應力與變形的大小、方向、分布等也都有一定影響[2]。焊接作為一個不均勻的加熱過程，焊后焊件必然存在焊接應力和焊接變形。

焊接變形的種類很多，大致分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯邊變形、螺旋型變形等七類，其中最常見的是焊接收縮變形。縱向收縮變形（圖 1）就是指沿焊縫長度方向的縮短。收縮量隨焊縫長度、母材線脹系數、熔敷金屬截面積、焊接熱輸入的增加而增加，反之亦然。此外，多層焊的收縮量小于單層焊，多層焊的首層收縮量最大，而后逐層減小；連續焊收縮量大于斷續焊；無拘束焊縫的收縮量大于有拘束焊縫的。橫向收縮變形（圖 1）就是指垂直焊縫方向的收縮。收縮量與焊件壁厚、坡口形式、焊縫截面積、焊接熱輸入、焊接工藝、結構拘束度等多種因素相關。隨焊件壁厚、焊接熱輸入的增加而增加，隨焊縫截面積的減小而減小。結構拘束度的影響則恰恰相反。坡口形式和焊接工藝（含焊接方法、層次、焊接參數、預熱和隨從加熱等）則從屬于壁厚和焊接熱輸入。從焊接方法看，收縮量由電渣焊、氣焊、埋弧焊、MIG/MAG焊、焊條電弧焊、TIG焊、等離子弧焊、電子束焊和激光焊依次減少。從接頭形式看，對接縫的收縮量大于角焊縫；連續焊收縮量大于斷續焊；坡口角越大收縮量也越大；多層焊的首層收編童最大；同一條焊縫中最后焊段的收縮量最大[3]。

各船舶企業在硬件設施、焊接工藝、建造流程、技工素質等諸多方面均存在差異，因此船體實際建造過程中產生的焊接收縮變形無法完全借鑒，需要根據自身情況統計分析。

1 統計方法簡介

本法應用于分段建造階段。

焊縫的縱向收縮影響分段端口的平齊度，但對分段主尺度影響較小，因此可以忽略不計。分段建造過程中縱橫構件與板材的角焊縫數量多，焊接量占單個分段總焊接量的70%～90%，且由于角焊縫的縱向收縮極小，因此本法統計對象為角焊縫（包含填角焊縫與帶坡口角焊縫）的橫向收縮。

為便于測量，本法主要統計平直分段，如散貨船雙層底、舷側等分段。

為減小誤差，測量使用符合國家標準的鋼卷尺，兩端加放拉力計，焊接前后施加相同的拉力。焊前測量在分段第一工作面上胎架后、構件裝配前；焊后測量在第一工作面上方構件均焊接完畢后。測量示意圖如圖2所示，具體要求如下：

1）測量點位于板材兩側，應在同一橫截面上，兩點間應包含該方向所有構件；

2）確定測量點后應用樣沖標記；

3）因構件裝配焊接后無法再使用鋼卷尺測量，因此應將測量點在板材背面相同位置標記出來；

4）如第一工作面背面也存在構件，則焊后測量應在分段脫胎前，從胎架下方借助磁鐵吸附測量；如第一工作面背面無構件，則焊后測量可在分段脫胎翻身后進行。

將現場實際焊腳區分為3類：骨材焊腳（如球扁鋼、扁鐵等）、板材焊腳（如肋板、縱桁等）以及開坡口角焊縫（深熔焊、全焊透焊縫），分別統計實際焊腳大小。

測量時需記錄以下信息：分段名、水平板板厚、焊腳類型與數量、測量值。

2 分析方法簡介

測量點間存在多種類型構件，包含填角焊縫與開坡口角焊縫（等同于對接焊縫），因而使用橫向收縮量估算公式[4]：B=1.2·0.18·FH/δ。式中，B為橫向收縮量估算值；FH為焊縫橫截面積；δ為水平板板厚；1.2為雙面焊系數。

根據上述公式對所測分段進行估算，得到單個構件焊接產生的橫向焊接收縮量在整體收縮量中的占比。

單個構件橫向收縮量的占比與實際測量收縮量的乘積即為該構件焊接產生的實際橫向收縮量。

經過多次的測量與數據積累，所有分類數據的平均值即為該船舶企業現場焊接產生的橫向焊接收縮量，數據量越大統計結果越準確。

3 實踐驗證

在某系列散貨船6#、7#、10#船共計41個雙層底分段上應用以上收縮量統計方法，水平板為內底板，板厚20 mm。

焊腳類型即實際焊腳尺寸見表 1，首先根據現場焊腳尺寸統計數據將骨材焊腳定為7 mm、板材焊腳定為9.5 mm、開坡口角焊縫（TKY joint）[5]定為12 mm。

表1 焊腳尺寸統計表

實際橫向焊接收縮見表2～表4。

表2 6#船橫向收縮量統計表

表3 7#船橫向收縮量統計表

表4 10#船橫向收縮量統計表

表4 10#船橫向收縮量統計表（續）

橫向收縮量經驗值與實測值對比見表5。

表5 實測值與經驗值比對

4 結論

現場角焊縫焊腳可分為三種類型：骨材焊腳 7 mm、板材焊腳9.5 mm、開坡口角焊縫焊腳12 mm。

水平板板厚20 mm時，7 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.2 mm；9.5 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.48 mm；12 mm焊腳雙面角焊縫焊接橫向收縮0.6 mm。

根據實測值與估算值的對比，本方法是科學有效的。且由本方法測量計算的結果更加符合現場實際情況，便于設計部門在后續船舶建造過程中快速計算焊接收縮補充量，從而達到優化生產設計的目的。

[1]姜福海.精度管理在船舶建造中的應用[J].江蘇船舶,2014.3： 27-29.

[2]曾平.船舶材料與焊接[M].哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社, 2006.

[3]張彥華.焊接結構原理[M].北京： 北京航空航天大學出版社, 2011.

[4]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第2卷)材料的焊接[M].北京： 機械工業出版社, 2008.

[5]GL.Rules for Classification and Construction[S].2000.

Statistical Method of Welding Shrinkage for Shipbuilding

WANG Xing, JIANG Lei, CHEN Long
(Taizhou Kouan Shipbuilding Co., Ltd., Jiangsu Taizhou 225321, China)

Welding as an uneven heating process, welding residual stress and welding deformation are often exist.Welding shrinkage is the most common welding deformation.The modern shipbuilding industry advocates precision shipbuilding, by adding welding shrinkage compensation to achieve the purpose of no margin construction and no margin capacity.Through the measurement of the actual data of the field and the post-summary analysis, the effective statistical methods are gained.It should establish and improve the ship enterprises welding shrinkage database, and then through the optimization of the compensation system to improve the production process, therefore achieve the purpose of precision shipbuilding.

welding deformation; welding shrinkage; precision control

U671.8

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.014

王星（1988—），男，助理工程師，研究方向：船舶焊接工藝。