論船舶薄板焊接的變形問題及控制方法

畢見亮 李洪斌 劉宏濤

摘 要：在制作船舶時，常常會使用薄板這一材料，通過薄板焊接形成各種構(gòu)件。若薄板焊接出現(xiàn)變形問題，不僅會影響船舶 的外觀，還會影響船舶的安全性。本文分析了焊接變形形式及影響薄板焊接變形的因素，并提出了幾點避免船舶薄板出現(xiàn)焊 接變形問題的措施。

關(guān)鍵詞：船舶;薄板;焊接;變形問題;控制方法

一、焊接變形形式

假如焊件形狀尺寸發(fā)生變化，則表示構(gòu)件發(fā)生變化。由于焊接施工造成的變形問題，則可稱為焊接變形。在構(gòu)件焊接完成且冷卻 之后，出現(xiàn)的變形問題屬于殘余變形。在船舶薄板焊接過程中，變 形形式種類較多。在焊接過程中，構(gòu)件局部出現(xiàn)不均勻循環(huán)快速加 熱與冷卻將形成熱壓縮塑性應(yīng)變，進而形成焊接殘余應(yīng)力致使薄板 出現(xiàn)焊接變形問題。

依據(jù)焊縫收縮力方向及位置，可將焊接變形問題分為收縮變形、 角變形、彎曲變形、波浪變形與扭曲變形這五種形式。收縮變形指 的就是薄板焊件縮小。不論是焊縫的縱向收縮還是橫向收縮都屬于 收縮變形。焊縫截面上下不對稱或者受熱不均勻，致使焊縫收縮不 對稱形成的變形問題則屬于角變形。

二、影響薄板焊接變形的因素分析

焊接過程中的熱變形及焊件的剛性條件是影響薄板焊接變形的重要因素。焊件的剛性條件將受到裝配焊接程序、胎夾具的使用、 焊件尺寸及形狀的影響;焊接熱變形則將受到焊接工藝參數(shù)、焊縫 面積與數(shù)量、焊接方向及順序、金屬材料的熱物理性能等。船舶薄 板焊件出現(xiàn)彎曲變形的主要原因是焊縫結(jié)構(gòu)不對稱。研究發(fā)現(xiàn)，隨 著焊縫與焊件截面中心軸距離的增加，薄板焊接變形程度則不斷增 大;反之，薄板焊接變形程度將不斷減小。構(gòu)件剛性條件是影響薄 板焊接變形程度的重要因素，在其他條件相同時，隨著構(gòu)件剛性強 度不斷增強，薄板焊接變形程度將不斷減小;反之，也是如此。焊 接順序也將影響焊接重心位置及剛性。焊接技術(shù)也是影響薄板焊接 質(zhì)量的重要因素，不同焊接方式形成的熱變形也不相同。相較于繼 續(xù)焊技術(shù)，連續(xù)焊技術(shù)形成的變形程度較高。此外，焊接電流、電 弧電壓、焊接速度等參數(shù)也將影響薄板焊接質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，隨著 焊接電流及電弧電壓的增加，薄板焊接變形程度將不斷增高;隨著 焊接速度的提升，薄板焊接變形程度將不斷降低;隨著焊縫截面尺 寸的增大及焊縫數(shù)量的增加，薄板焊接變形程度將不斷增高。同時， 由于不同焊件的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、膨脹系數(shù)不盡相同，因此薄板焊 接變形程度也不相同。

三、避免船舶薄板出現(xiàn)焊接變形問題的措施

船舶的板殼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在薄板焊接過程中與焊接完畢后極易出現(xiàn)變形問題，變形問題不僅會影響船舶的外觀結(jié)構(gòu)，還將影響 其承載能力，進而影響船舶的安全性。因而，為提高船舶質(zhì)量，需 在結(jié)構(gòu)設(shè)計及施焊技術(shù)方面著手，盡量避免船舶薄板出現(xiàn)焊接變形 問題。

1.保證焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計合理

在設(shè)計焊縫結(jié)構(gòu)時，需充分考慮焊接結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性，同時還需考慮焊接技術(shù)是否可滿足焊接要求。為避免船舶薄板出現(xiàn)焊接 變形問題，需依據(jù)焊接特點科學(xué)設(shè)計焊縫結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中，尤 其需注意焊縫位置、焊縫數(shù)量、焊縫尺寸方面的設(shè)計，以保證焊接 質(zhì)量。總而言之，在設(shè)計過程中需堅持以下原則：

（1）為保證焊接質(zhì)量，需盡量減少工作量，可使用分段焊接施 工方式盡量降低船舶薄板焊接變形程度;（2）合理設(shè)置焊縫，嚴禁將焊縫設(shè)置在應(yīng)力最大區(qū)域;為保證焊接質(zhì)量，需盡量將焊縫設(shè)置在焊件結(jié)構(gòu)中心軸對稱或與中心軸距離較近區(qū)域;（3）盡量保證焊縫長度及截面積較小;（4）采用對稱坡口焊接方式;（5）采用較大面積的鋼板或沖壓結(jié)構(gòu)作為扶強材結(jié)構(gòu);（6）設(shè)計過程中，需重視薄板結(jié)構(gòu)的校核，以保證構(gòu)件的安全性;（7）重視焊接過程中胎夾具的使用。

2.科學(xué)選擇施工技術(shù)

（1）剛性固定法。此焊接方法需把焊件固定在夾具當(dāng)中才可進行焊接施工，以免焊件出現(xiàn)變形問題。焊接程序為：將待焊接結(jié)構(gòu)固定在剛度符合要 求的平臺或胎架上，在焊縫冷卻之后才可進行剛性固定（此種方法 大多應(yīng)用在無反變形的情況下）。此種方式可有效降低構(gòu)件焊接變形 程度，以免焊件出現(xiàn)波浪變形或角變形問題。在薄板拼焊過程中， 需盡量保證施工場地的平整性，為提高薄板剛性，以免薄板出現(xiàn)焊 接變形問題可使用壓鐵或輔助鋼材固定焊縫兩邊。另外，在薄板拼 版疊放過程中，需保證板面安置在吊耳等圓管支撐上。同時需注意 的是，需使用套圓管保護吊耳，以免薄板疊放過程中出現(xiàn)變形問題。

（2）反變形法。此方法是使用較為廣泛的一種避免焊接變形問題的方式，在焊 接前需根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)變形特點，給予焊件方向相反、大小相同的變 形，以保證薄板焊接質(zhì)量。

（3）存留收縮量。船舶機構(gòu)較為復(fù)雜，且由于船舶體積較大，其焊縫數(shù)量及焊縫面積較大。雖已采取多種措施降低船舶薄板焊接變形程度，然而在 焊接過程中仍然會出現(xiàn)收縮變形。因此，在準備材料時，需存留收 縮量，以保證船舶薄板焊接質(zhì)量符合設(shè)計要求。現(xiàn)階段，為保證造 船質(zhì)量，需科學(xué)、合理存留收縮量。

（4）選擇合適的焊接技術(shù)。為降低船舶薄板焊接變形程度，需盡量選擇熱輸入較少的焊接方式，并且需保證焊接參數(shù)、焊接順序及施焊方法的合理性，比如： 為降低船舶薄板焊接變形程度，可采用 CO2 氣體保護焊施工方式; 為降低船舶薄板焊接變形程度，可采用真空電子束焊或激光焊技術(shù)，減少焊縫大小及面積。另外，若發(fā)現(xiàn)船舶薄板出現(xiàn)焊接變形問題， 可采用有針對性措施進行矯正，以保證薄板焊接質(zhì)量符合設(shè)計要求。

四、結(jié)語

綜上所述，船舶薄板焊接變形問題是影響船舶安全性的重要因素，也是影響船舶企業(yè)發(fā)展的重要因素。船舶企業(yè)需采取有效措施 控制焊接變形問題，以保證薄板焊接質(zhì)量，提高船舶安全性及結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]趙彬. 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測與控制[J]. 科技與創(chuàng)新， 2016（4）：60-61.

[2]梁偉， 馬峰， 張渝，等. 薄板焊接變形高精度預(yù)測方法 的研究[J]. 船舶力學(xué)， 2017， 21（4）：437-442.

[3]程家元. 分段焊法在船舶行業(yè)大薄板拼接變形控制中的 應(yīng)用[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2017（23）：74-75.