船舶焊接變形分析與控制

曹龍

摘要：在船舶制造中，焊接是必不可少的加工技術，焊接質量對船舶制造質量有決定性的影響;而在具體焊接環節，焊接變形最難掌控。焊接變形對結構性能有極大的影響，其不但會導致結構尺寸精準度降低、形狀發生變化、承載力下降;與此同時，在荷載影響下造成的應力集中、附加彎矩問題會導致結構疲勞強度大幅下降。

關鍵詞：船體結構;焊接變形;矯正

1船舶制造中的現代焊接工藝

目前，在船舶焊接中，各類現代焊接工藝都有著廣泛的應用，如壓焊、熔焊等。壓焊主要是向被焊接物施加壓力以完成焊接操作，常用的類型有氣壓焊、摩擦焊、爆炸焊等;熔焊主要是對被焊接物的接頭部位進行高溫處理直到完全熔化，且不可利用外力。現階段，在船舶制造過程中，鋼板是使用最多的材料，因此應根據鋼板材料和厚度的不同，選用適宜的焊接工藝。

2船舶焊接變形分析與控制

2.1焊接方式與焊接工藝參數

焊接厚度基本相同的材料時，分別使用單層焊接和多層焊接，前者在縱向形成的收縮量相較于后者更大。因為在使用多層焊接時，先行焊接的部位先冷卻，對后期焊接部位的收縮起到了抑制作用。因此，在實際生產中，應用不同類型的焊接方式，產生的收縮量會有很大的差異。同樣，比較直通焊接和逐步焊接，由于逐步焊接過程中能夠保持較為均勻的焊接溫度，其形成的壓縮變形更為分散，產生的收縮更小。另外，線性的能量是焊接工藝參數中對焊接變形產生影響的主要來源。焊接電流和電弧電壓的增大和焊接速度的降低都會導致線能量增加，則塑性變形區域的壓縮力增大，塑性變形區域擴大，實際產生的收縮量即隨之更大。

2.2進一步優化焊接程序

1）預伸縮。針對大型船體結構展開的焊接作業，需要由中間向周圍擴散、對稱施焊。比如：在對工字梁進行焊接的過程中，不管是先焊接腹板接頭還是先焊接面板，橫向收縮都會在角焊縫中形成極大的應力，甚至出現裂縫;因此，需采取有效方式以確保其可以自由收縮。對于此問題，可將角焊縫留出部分位置、而后再進行焊接作業，從而確保接頭可以自由實現橫向收縮。如圖2所示：先對“焊縫1”進行焊接，再對“焊縫2”進行焊接。2）先對收縮量較大的焊縫進行焊接。對于帶筋板的工字梁，應先對腹板與面板實施焊接，而后對筋板角焊縫實施焊接，因為角焊縫有較大的橫向收縮，則會在腹板與面板的角焊縫中產生極大的焊接應力。首先，對焊蓋板的“對接焊縫1”進行焊接;其次，對工字梁和焊蓋板間的“角焊縫2”進行焊接。3）應用對稱焊接方法。針對斷面對稱且剛性較大的工件，在焊接過程中采取對稱的焊接工藝，此在控制構件的彎曲變形方面有著極大的作用。對于對稱分布的焊縫，需采取雙數焊工對稱的形式實施焊接作業。4）根據焊縫選擇相應的焊接方法。對于中長焊縫（0.5～1m）的焊接，可選擇分中對稱焊法;對于長焊縫（≥1m）的焊接，可選擇分中分段退焊法、分段退焊法、交替焊法以及跳焊法等。

2.3焊前預熱

所謂焊前預熱，一方面是采取對材料提前進行預熱的方法來實現減少焊接變形的目的，其原理是由于焊接前的材料溫度提高，焊接時的溫度梯度被進一步降低，使得焊接變形產生的殘余應力減小。而另一方面是提前預測焊接變形的大小和方向，以此為依據在焊接之前人為造成與預測的焊接變形結果相反的變形，使其與而后進行的焊接過程產生的變形相互抵消，最終達到減小焊接變形的效果。在船廠實際施工中，經常采用剛性固定法固定焊接構件，從而控制變形。相比于自由狀態下的焊接，通過這種剛性固定焊接方法，焊接所產生的局部變形減小。因此，各種形式的剛性固定法被廣泛使用于船體裝配各類構件的焊接之中。如臨時加強筋板，臨時點焊加強角鐵，分段四周定位焊，船體分段和胎架螺栓連接，各種直線拉馬和弧形拉馬等。

2.4科學利用新型焊接工藝

現階段，在船舶制造中選用的焊接材料大致相同，這會對船舶的焊接質量產生影響。因此，在船舶制造過程中，由于各生產廠家的需求不同，其產品結構和所需的材料也有所不同。在此背景下，船舶制造模式也在不斷發展變化，且對船舶焊接工藝產生了極大的影響，相關行業對其個性化和定制化也有了更高的要求。因此，要想改進船舶制造焊接的方式，則應科學利用新型焊接工藝。目前，國內船舶生產廠家已廣泛使用平面分段焊接的流水線，且配備有對應的新設施及新工藝，自動化水平顯著提升，船舶焊接效率有較大幅度的提高。

2.5合理利用剛性固定法

根據船體結構焊接的具體狀況，在針對焊接變形量進行控制時，剛性固定法是十分重要的焊接方式，可有效處理好焊接變形現象，從而使得焊接過程中的變形控制實現既定目標。對于剛性固定法的合理利用，應該將工件安裝于具備剛性極強的胎架又或是平臺上。在工件全部焊接完成冷卻后，再將剛性固定去除。對于沒有反變形的狀況，采取此類方式有利于得到更好效果，適用于整個船體的焊接作業。通過對此種方法，可有效控制工件變形，大幅減少工件的變形量，防止在自由狀態下開展焊接作業而導致焊接質量整體較差且出現較大變形量的問題。所以，應用合理、高效的變形量控制手段，同時按照變形量的相應特征以及變形量產生的實際因素加以控制，在波浪變形與角變形的控制方面起到著極其重要的作用;并且，還可以大幅提升船體焊接變形控制的效果。所以，需要按照船體結構的實際情況，結合船體焊接需求及所采取的焊接技術，針對結構焊接變形實施高效的矯正，有利于提高船體結構焊接效率及質量，從而確保船體結構的穩定性。

結語

焊接變形對船體結構穩定性有著極大的不利影響，當前在船體焊接過程中常見的變形類型主要有局部變形與整體變形等。目前，在船舶制造過程中，通常使用經驗公式法、理論解析法、熱彈塑性有限元法等對焊接變形進行預測。對于船體結構焊接時發生的變形問題，應通過進一步優化焊接程序、合理利用剛性固定法、火工矯正法和反變形法等措施，以及時矯正結構變形。

參考文獻

[1]石金雷，鞠理揚，周宏，等.三角板扶強材對船體結構焊接變形的影響和控制研究[J].船舶標準化與質量，2020，（02）：33-41.