影響船體焊接結構件殘余應力的因素及消除方法研究

趙健

摘? ?要：船體結構焊接殘余應力可導致船體焊接結構件性能的下降以及船體制造精度難以控制，對船舶建造質量有著較大影響。鑒于船體結構具有較復雜的形狀和較大的尺寸，船體焊接殘余應力的處理不易采取措施。文章基于船舶焊接殘余應力形成原因的闡述，分析了船舶焊接殘余應力的影響因素，并提出了根據船體構件不同階段裝焊特性，采取針對性的控制措施，旨在最大程度上減少或消除焊接殘余應力。

關鍵詞：船體構件;焊接殘余應力;形成原因;影響因素;應力消除

船舶作為一種大型焊接結構，其建造中的各個工序均有焊接結構件的大量應用，而焊接結構件的主要構成部分是焊接接頭，其內部殘余應力的存在嚴重影響接頭的性能，降低船體構件的韌性和強度，并且可能導致焊接結構裂縫甚至斷裂。因此，采取有效控制措施降低或消除焊接殘余應力對增加船體構件整體穩定性，確保船舶建造質量具有重要的現實意義。

1? ? 船舶焊接殘余應力的形成原因

在焊接船舶金屬結構過程中，通常采取金屬局部加熱方式，致使焊接時構件溫度分布不均衡，焊縫、焊縫周邊區域以及近縫區的金屬都會經歷一個熱循環過程：加熱→融化→冷卻、凝固，而金屬的熱脹冷縮在焊接時處于強約束狀態中，從而造成船體結構金屬產生極具復雜性的殘余應力和變形[1]。

焊接殘余應力基本上分成兩種：（1）因結構件內部產生不同區域間自平衡的殘余應力。（2）在船舶整體結構中，由于強行裝配尺寸不融洽的各個部件以及在控制結構裝配精度方面的缺陷而產生的殘余應力。前者產生的焊接結構件殘余應力極為普遍，應作為研究重點。此類殘余應力的產生，與焊接接頭部位極不均勻加熱以及彈塑性變形緊密相關。

2? ? 船舶焊接殘余應力的影響因素分析

2.1? 焊接時極不均勻的溫度分布

在焊接過程中，焊接區域不同的部位，其溫度也會有所差異，溫度分布的不均勻會產生不同的膨脹量。而冷卻時，周圍金屬將約束膨脹部分的收縮，致使熱脹冷縮無法同步，進而產生殘余應力和變形。

2.2? 焊接結構的剛性大小

焊接結構自身的剛性對加熱（冷卻）時的自由膨脹（收縮）存在約束性，以致焊接接頭中形成應力與變形，而焊接結構的限制條件、力學性能與其剛性的大小密切聯系。當前，船體用結構鋼大多采用高強度鋼，加之大量的封閉焊縫存在于船體板殼結構中，因此結構的剛性較大，極易形成較大的焊接殘余應力[2]。

2.3? 焊接結構的尺寸

焊接殘余應力在實際焊接結構中是極具復雜性的三向應力，分別為：（1）橫向殘余應力。主要作用于焊縫及其周邊區域，橫向殘余應力的分布同焊接順序、焊接方向緊密相關。（2）縱向殘余應力。其分布特性為焊縫及其周邊區域、兩側分別受拉伸應力和壓縮應力。由于裝焊船體外板的結構具有較大的尺寸，因此會有較大的縱向殘余應力。（3）板厚方向的殘余應力。板厚增大的情況下，大量的焊縫構成焊接接頭，而后焊的單道焊縫受到先焊的單道焊縫的限制作用，導致在板厚的不同部位上，橫向殘余應力和縱向殘余應力的值有所差異，進而形成沿板厚方向的復雜分布。

船舶焊接殘余應力的影響因素諸多，除上述幾方面以外，結構中焊縫的位置、焊接方向以及焊接速度等均會對焊接殘余應力產生嚴重的影響，而焊接殘余應力的存在不但造成船體焊接結構件性能下降，難以保證船舶建造質量，甚至會導致船舶使用過程中突發脆性斷裂。為此，在船體構件裝焊過程中，最大程度上降低或消除殘余應力是需要解決的一個重要問題。

3? ? 消除船體結構焊接殘余應力的方法探究

鑒于船體建造過程相對復雜，需根據不同階段裝焊特點采取針對性的措施進行處理，以實現殘余應力的減少或消除。而從造船經濟、周期等角度考慮，對所有船體焊接構件殘余應力進行消除不太現實，通常而言：（1）結構存在應力腐蝕危險。（2）結構對剛度、尺寸精度有較高的要求。（3）焊接后結構具有較多的加工量。（4）厚截面復雜結構在工作、安裝和運輸時有遇到低溫的可能性，出現脆性斷裂危險[3]。（5）壓力容器厚度超過一定限度。上述幾種情況下的船體焊接構件殘余應力的消除應特別注重，具體的船舶焊接殘余應力的控制與消除方法包括以下幾方面。

3.1? 改進船舶設計、施工工藝，降低焊接殘余應力

船舶設計方面降低焊接殘余應力的方法包括：（1）盡量采用T形接頭、平板替代十字接頭、弧形板，盡可能使用厚度較小的型材，避免多結構復雜連接，加強筋若設計，無明確要求則少用，同時輔助焊縫尺寸最好采用與設計要求相一致的最小尺寸，采用具有較小剛性的接頭形式。（2）最大限度縮減焊縫尺寸及其數量，將焊縫分散化，避免焊縫集中。（3）拉應力的殘余應力區域內防止出現未熔合、未焊透等幾何不連續性的情況。（4）焊縫的布置最好不要設置在應力集中或極易產生變形的區域。施工工藝方面盡可能地保證均勻的溫度分布，采取的措施包括焊接方向、順序合理，分散殘余應力;通過局部加熱法、反變形法使局部剛度下降。

3.2? 采用合理的焊接程序，減少焊接殘余應力

焊接工藝選用CO2氣體保護焊，焊接程序需堅持的原則是優先焊接不會對其他焊縫形成剛性約束的焊縫。合理的焊接程序為縱橫構架間的焊縫焊接→采取由內到外的方式焊接船體外板、甲板的對接焊縫→構架、船體外板、甲板的連續角的焊縫焊接。船體焊接所有焊縫以由中至左右，從船中至首尾，從下向上進行對稱焊接[4]。焊接船體各個構件時，優先焊接具有較大收縮量的焊縫;低溫環境下，先將接縫預熱烘干后再進行焊接，倘若多層焊接無法一次完成，需要通過保溫緩冷的方式來降低焊接殘余應力。

3.3? 消除焊接殘余應力

3.3.1? 溫差拉伸法

溫差拉伸法主要應用于對建造精度有較高要求或受載荷較大的結構。在船體分段制造階段、總段裝配階段局部采用溫差拉伸法：焊縫兩側均使用一個寬度適宜的氧-乙炔焰加熱，同時距離焰炬后方特定處噴水冷卻。操作者需做到噴水管與焰炬同步進行，以較好的消除焊接殘余應力。

3.3.2? 機械拉伸法

壓力容器類構件應用此法較為合適。沿焊接方向對焊接結構加載（施加拉伸荷載），拉伸焊接壓縮塑性變形區，焊接區會有高拉伸殘余應力，其周邊將產生拉伸塑性變形，焊接區拉伸殘余應力在卸載后得以消除。所加載荷的大小決定了殘余應力的消除量△σ，對足夠寬板的對接接頭，△σ能夠根據下式計算：△σ=σ0-（σs-σ1），σ0，σs，σ1分別為外加應力、材料屈服應力以及接頭的拉伸殘余應力。

3.3.3? 熱處理法

熱處理法通過對焊件局部（整體）進行焊后熱處理，從而最大限度地消除焊接殘余應力，主要應用在船體建造部件裝焊階段，是一種有效且常用的方法[5]。但船體構件熱處理產生的譬如可能改變船用高強度鋼的組織結構，影響并惡化其性能等一些負面影響也需要注意。此外，作為一種非熱處理法，脈沖磁處理法可應用于船體建造的各階段，能夠有效消除焊接殘余應力。

4? ? 結語

綜上所述，船體構件裝焊過程中產生的焊接殘余應力對船舶建造質量及其使用性能造成的影響不可小覷，分析船舶焊接殘余應力形成原因及其影響因素，從而針對船體不同建造階段采取能夠提高焊接質量的改良方法，從而最大限度地減少甚至消除焊接殘余應力，增加整個船體構件的可靠性，保證船舶建造質量。

[參考文獻]

[1]蘇智敏，薛丹丹.淺談船舶焊接殘余應力的形成與控制[J].工程技術（全文版），2016（21）：319-320.

[2]韋智元.船體構件切焊連續加工中的殘余應力問題研究[D].大連：大連理工大學，2017.

[3]趙晶，劉洋，劉海濤，等.淺析如何有效控制鋼結構的焊接變形及應力[J].中國設備工程，2019（12）：159-160.

[4]蘭福貴，張晶，耿冬海.淺談控制船體焊接變形的方法[J].中國科技博覽，2015（25）：310.

[5]高立峰，李志國，羅夢佳，等.焊接殘余應力的模擬和控制消除的相關問題研究[J].內燃機與配件，2019（6）：117-118.

Abstract：The residual stress in the hull structure welding can lead to the decline of the performance of hull welded structural parts and make it difficult to control the hull manufacturing accuracy， which has a great impact on the shipbuilding quality. The complicated shape and large size of the hull structure make it difficult to deal with residual stress. This paper based on the description of the reason of the residual stress， the affections of the residual stress in the hull structure caused by welding were analyzed， and the targeted control measures were proposed， according to the welding characteristics of hull structure at different stages， aiming at minimizing or releasing the residual stress.

Key words：hull structure; welding residual stress; cause of formation; affections; stress releasing