大型郵輪薄板建造變形控制方法

孫建志，馮敏超，陳小雨

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

在造船行業，薄板變形普遍存在而且這種變形較難消除。大型郵輪所用板材主要以4～6 mm薄板為主，薄板在切割、焊接、吊裝和運輸建造過程極易產生變形，薄板變形對船體結構將引起結構嚴重錯位，需要進行大量火工矯平和開刀修正；薄板變形對舾裝件將引起管件對接錯位；因甲板變形基座無法完全貼合設備安裝會出現振動。薄板變形傳統的修正方法火工矯平，熱量很容易傳遞到鋼板內，加熱區域內的筋板也容易被加熱，筋板也會產生熱變形。當矯平無法滿足要求時就需要使用更多的自流平產品，以補償甲板表面的平整度。這些補救措施會大幅增加空船重量導致罰款甚至棄船。為此，考慮對薄板材料特性及建造過程變形原因進行分析，制定預防變形及后期糾正措施，以保證郵輪建造質量。

1 大型郵輪薄板變形原因分析

1.1 薄板材料特性

國內鋼廠薄板材料往往殘余應力過大，因為鋼廠在薄鋼板軋制過程中，由于從加熱鍛造到空冷的溫差大而冷卻過快，缺乏相應的溫控程序，導致內應力無法釋放，積聚在薄板結構內部。鋼板到廠經過預處理和切割后，原內應力平衡被破壞,產生變形。

1.2 熱輸入產生的變形

1.2.1 焊接熱輸入

現代大型鋼結構都是由很多零件構成的，這些零件大多數都是由熱切割獲得的或者通過焊接獲得的，焊接也是將這些零件連接到一起的主要方法。焊接過程中因加熱和冷卻產生的溫度梯度對熱應力的影響最大，是形成焊接殘余應力的主要原因，是整個薄板結構變形的主要根源。在實際生產中多人同時焊接，不確定的焊接順序都會導致焊接應力的增加。焊接過程焊接參數的不規范設置會引起焊接高度超標，增加薄板焊接應力。

1.2.2 焊接變形機理分析

焊接移動熱源作用下，沿著焊縫方向，中心溫度最高，而遠離熱源處的溫度逐漸降低，對接接頭的溫度場等溫線呈橢圓狀分布，有限元計算發現在焊接初始階段和結束時，溫度場的變化非常劇烈且不均勻，導致形成較大的溫度梯度。但隨著加工的進行，焊件會受到已加工部分的預熱，溫度變化區域穩定，準穩態溫度場逐漸在焊件上會形成，因而產生的熱應力相對較小(見圖1)。

圖1 不同薄板尺寸表面溫度場分布(a)～c))和變形情況(d)～f))

由于薄板為對稱分布，沿著截面剖開，觀察溫度場的分布狀態，如圖2a)～c)所示，隨著焊接過程的進行，上表面溫度由中心向四周發散，截面溫度由上向下傳遞，不同時間節點位置，受熱應力場的影響，都會引起薄板的瞬時變形，如圖2d)～f)所示，變形程度隨著焊接光源移動有所減緩，這是由于下一節點受已加工段的溫度預熱影響，使焊接殘余應力降低。而靠近薄板邊緣處的變形程度較明顯，推測是該位置處與空氣接觸，熱導率較快引起的。隨著薄板尺寸變大，其變形情況相比較于前兩種薄板尺寸的焊接結果更加集中，而薄板中心位置處無變形，說明該處的殘余應力已得到有效釋放，證明中心部位的焊接質量較高(見圖2)。

圖2 不同薄板尺寸縱截面溫度場分布((a)～c))和變形情況(d)～f))

沿著焊接方向上的起點、中間和終點溫度隨時間變化曲線分布見圖3。

圖3 不同薄板尺寸不同位置溫度隨時間變化

隨著焊接過程的進行，前一節點熔化形成的溫度場會對后一節點產生預熱作用，因此后一節點所能達到的溫度值要高于前一節點，即終點>中間>起點。當某一位置達到最高溫度后，要以一定的冷卻速率下降，以中間位置為例，三種不同薄板尺寸所能達到的最高溫度值近乎相同，但薄板尺寸越大，下降至平穩狀態時的溫度值越小。由于薄板尺寸越大，完成焊接過程所需的時間越長，因此能夠維持平穩溫度的時間越長，使得薄板有足夠的時間對產生熱應力進行釋放，即中間位置的瞬時殘余應力值逐漸降低，沒有變形的產生。而焊縫方向兩端，瞬時的熱輸入導致溫度急劇升高，在薄板內部產生較大的溫度梯度，因而殘余應力升高明顯，導致大量變形。根據焊接變形機理分析得出，薄板焊接初始階段和結束時溫度場的變化非常劇烈且不均勻，這就導致薄板拼板板邊容易產生波浪變形。

1.3 塑性變形

1.3.1 外來加工件運輸不規范導致的變形

重要的還有對供應鏈流程的控制管理，應特別重視生產方法，以及原材料與外加工件(如：T形梁和管道)從制造商場地到船廠之間的運輸。事實上，可能相當常見的情況經常是運輸引起的(見圖4)，或是外涉構件與原材料在實施過程中管理不善造成的，或是部分結構件事先就存在變形。

圖4 型鋼運輸變形

1.3.2 吊裝堆放不規范導致薄板硬變形

對于吊裝作用引起的變形，特別需要指出的是起重操作，起重時會在構件中產生很大的張力。如果不經過專業評估，產生的張力就會引起構件(如二級組件、片段、分段等)的塑性變形，另外不規范的運輸、材料堆放都會導致二次變形。如型鋼運輸和堆放變形，將變形的型鋼裝配主板導致一起變形。大量的薄板片體門架疊放相關作用導致硬變形。見圖5。

圖5 吊裝堆放不規范導致變形

1.4 精度不良引起的變形

引起變形的原因中需要考慮的另外一個方面是“裝配”質量,以及零部件在安裝之前，就已經存在的變形。如型鋼、T-BEAM直線度不良，會產生強行裝配(如采用液壓千斤頂產生相應的施壓作用力)，主板直線度不良，會導致焊縫間隙大。零部件精度不良會遭受機械作用和熱作用的共同影響，這種情況下，產生的焊接殘余應力更大，會產生變形的后果風險。見圖6。

圖6 結構精度不良引起的變形

1.5 結構強度弱引起的變形

郵輪波紋圍壁板厚在4～5 mm與板厚4 mm的L型折邊板構成組合件。波紋圍壁作為房間隔斷屬于非結構艙壁，因薄厚結構弱，在熱輸入或外力作用下容易變形。如波紋圍壁上開穿艙孔、焊接舾裝支架、強行裝配、甲板不同步的矯平收縮都會引起波紋圍壁的變形。

1.6 預舾裝不規范引起變形

在甲板結構變形的情況下安裝預舾裝，會增加后道甲板矯平難度。在變形的甲板上焊接穿艙管、支架直接與焊接甲板、電纜支架安裝在變形的型鋼位置、支柱墊板與甲板未貼合就焊接，都會導致該區域甲板無法矯平。另外舾裝件直接與甲板焊接會二次增加甲板變形。見圖7。

圖7 預舾裝引起的變形

1.7 船塢階段的二次變形

1.7.1 矯平順序不規范

兩層甲板沒有同步進行矯平收縮，會導致上下收縮力不一致，應力會沿著圍壁進行釋放引起變形。當完成上層甲板矯平，應力會向下傳遞到圍壁，使原本矯平的圍壁出現二次變形。因此不適當的矯平順序會導致圍壁產生二次變形。

1.7.2 臨時工藝孔

在搭載階段，臨時工藝孔的開孔與復孔會導致薄板變形。如郵輪船上許多單元艙室需要推艙，要將大量推艙路線上的圍壁與甲板斷開，影響甲板結構強度，容易引起原矯平甲板二次變形，斷開的圍壁結構變弱也會產生變形。工藝孔復孔產生熱輸入導致薄板變形。

1.7.3 換板不規范

對甲板反面結構換板，大量構架同時換板，降低結構強度，使原本通過矯平達到應力平衡點甲板再次失衡，二次變形。

1.7.4 舾裝件不規范安裝

波形艙壁強度較弱，在波紋艙壁上反復裝拆舾裝墊板、墊板焊接量大，造成局部受熱鼓包。見圖8。

圖8 舾裝件反復拆裝導致波紋板二次變形

2 大型郵輪薄板變形控制措施

薄板的建造變形控制，目前是工藝技術難題，要控制薄板的建造變形，不能單從某一個方面去考慮，而應該從原材料、設計、工藝流程、熱輸入、吊裝運輸及堆放、精度控制、預舾裝安裝、矯平順序、工藝孔以及修正方案等多方面綜合考慮。

2.1 原材料應力釋放

鋼廠薄板軋制由于控冷工藝問題導致生產出鋼板存在殘余應力，鋼板切割后出現彎曲變形。為解決此問題可在熱軋鋼機組后增加高強度矯直機，對軋后熱軋鋼板進行反復強行矯直形成塑性變形。塑性變形達到最大彈性變形的3～10倍，才能穩定消除鋼板殘余應力。

2.2 設計優化

1)優化分段劃分，分段結構弱，影響建造/運輸及精度控制的可以由全寬分段劃分為小分段，增加結構強度。

2)優化板縫布置的四個原則為：盡量把焊縫布置成與中心軸相對稱；在滿足規范的前提下，把板縫設置在結構件附近，借助結構件的剛性來減少焊縫變形；在多板組成的壁板和平臺盡量使用大板，減少焊縫數量；在焊縫相交中盡量布置成“十”字接頭，避免“T”字接頭的出現。

3)減少端部余量加放，分段主板端部留有一定的余量，留待裝配時再進行切割。這樣的施工方法，雖然能保證分段尺寸的精度，但由于在裝配過程中的二次切割，增加了受熱的變形和內應力，會對分段變形的控制和后續工序的施工帶來不利影響(切割變形)。減少端部余量加放，可減少加熱次數和加熱量，有效控制裝配過程薄板的變形。

4)合理設置分段預舾裝比重，減少薄板分段舾裝件安裝過多導致的變形，同時設計應避免支架安裝在甲板。

5)保證強度的情況下，應當優先采用間斷焊接或單面角焊縫焊接的方式，特別是連接甲板縱向常規加強構件時(如：球扁鋼)。

6)優化有限元技術吊裝方法，薄板總段吊裝有限元計算不僅要考慮吊裝布局合理性，還應考慮預埋基座和電器設備對結構變形的影響。

2.3 薄板建造工藝流程

合理的薄板建造工藝流程能規范薄板建造順序，減少變形產生。在薄板預處理后和下料需要二次矯平平衡內應力，能有效減少薄板裝配焊接產生的變形。拼板階段，為了保證拼板平直度，可采用壓鐵或厚鋼板在焊縫的兩邊進行剛性固定；在沒有激光焊接設備情況下可在薄板拼板焊縫端部應裝好引弧板和熄弧板，尺寸應不小于長×寬為400×250 mm，焊縫引出長度≥70 mm，較大的引弧板和熄弧板可有效控制焊接變形。拼板焊后應采用木錘對焊縫進行錘擊，如無木錘可采用鐵錘墊鐵板錘擊焊縫，以釋放焊縫的焊接應力，減少變形。型材和T-BEAM制作后應采用機械矯直或火工矯直，再上主板安裝避免強行裝配。各階段應做低溫背燒，應力在哪個階段產生，則就在那個階段消除。薄板建造工藝流程關鍵階段應做好精度報驗，保證合格產品流入后道。

2.4 熱輸入控制

2.4.1 生產車間的建筑與維護

包含在投資方案中的各種調整，如車間的建造與維護、系統與設備安裝或升級到更加先進的技術、恢復建造加工區域的效率狀況等。船廠建筑的老化(特別是屋頂和遮蔽結構的狀況)會使材料遭受環境侵蝕，因此，各工位會經常接觸到空氣氣流，在大雨期間，滴下的雨水還會落到加工的構件上。這些情況會引起焊接質量差，有時還需要進行修補/返工，從而造成額外的熱量輸入，引起相應的變形。

2.4.2 技術與系統更新

激光復合焊接系統，該系統既可以用于鋼板對接焊接，也可以用于型材與鋼板的角焊縫焊接。T-BEAM焊接機器人能夠按程序設定的焊接順序執行，代替人工規范焊接作業。應用了高新技術的焊接設備可更好地減少焊接熱輸入。

2.4.3 規范焊接作業

遵守焊接工藝規程(WPS)中設定的焊接參數，使用合理的焊接順序，焊腳高度在控制在標準范圍，這是必須采取的最佳預防措施之一。

2.5 吊裝運輸及堆放工藝

分包商制作型材零件在運輸到船廠的過程中容易變形，可使用型材插架防止運輸變形。分段型鋼裝配完后使用吊排和轉運托架運輸減少吊運變形。薄板分段長時擱置容易變形，應合理設置圓柱擱墩，一般14 m×32 m分段應設置12個以上，盡可能設計圓柱擱墩與薄板接觸面大，現場擺放擱墩應調整水平滿足±5 mm再擺放分段。薄板分段平板車運輸墊木應該鋪滿，能有效避免間隔擺放的墊木頂在軟檔導致的硬變形。薄板分段如使用吊馬翻身因外力影響大結構容易產生翻身變形，因此制作分段翻身工裝，降低外力的作用，有效減少薄板分段翻身變形。

2.6 精度控制

薄板建造過程甲板所有硬檔位置(型鋼、T-BEAM位置)水平必須滿足要求，(見圖9)硬檔位置無法矯平處理，后期會增加敷料厚度，因為敷料是以區域最高點為基準施工。敷料厚度增加就會影響內裝高度，因此郵輪薄板精度控制中硬檔位置水平非常關鍵。

圖9 薄板水平控制

2.7 預舾裝安裝變形預防措施

大量的預舾裝件在分段安裝，預舾裝主要焊接在型鋼，因此型鋼位置的水平和垂直度必須滿足精度要求，再安裝預舾裝。穿艙管區域甲板應平整再焊接穿艙管。墊板安裝必須與甲板貼合，不允許塞焊。

2.8 薄板總組搭載變形控制措施

2.8.1 薄板總組焊接預防變形措施

薄板總段為上下多層總組，為減少焊接變形和提升裝配效率，可采用上層裝配，下層焊接的方式，避免一層焊接一層裝配，容易導致端面不齊。薄板總段焊接應采用從中心向舷側焊接，從總組縫向首尾焊接。在總組船寬方向加放一定反變形能減少焊后兩舷側上翹現象，在薄板總組縫兩側硬檔加放反變形能減少首尾焊接上翹現象。

2.8.2 薄板總組搭載矯平順序

在薄板總組焊后，采用電磁矯平設備對甲板圍壁從上往下做應力釋放，合攏口在船塢搭載對接后再矯平。薄板總段電磁矯平后能夠防止總段轉運、吊裝應外力影響應力釋放產生的二次變形。搭載階段，對船上剩余局部變形區域及合攏口位置進行矯平，根據搭載順序，按總段為分界限，從船中向首尾，從下向上，逐層矯平。

2.8.3 換板預防變形措施

在搭載階段，薄板變形如無法用矯平補救需換板修正，應避免大面積同時修正或換板，會產生更嚴重的二次變形。在修正前應做好加強和支撐，再逐個對變形進行修正，修正順序優先考慮矯平，必要是借助外力工裝，如無法修正再考慮換板。因為郵輪結構特殊，換板有風險。

2.8.4 臨時工藝孔變形預防措施

在圍壁開臨時工藝孔應做好有限元分析，確定開孔后的結構強度。在分段階段，對推艙工藝孔定位焊避免船塢開孔增加熱輸入。在船塢推艙工藝孔開孔前，可做上下口臨時加強，防止焊縫打開圍壁強度變弱產生的變形。復孔焊接應遵守焊接順序，在確定薄圍壁平整度未受影響后再拆除臨時加強。

3 薄板變形后期糾正措施

郵輪建造薄板已全面使用電磁矯平代替火工做整體矯平，矯平效果好，質量高，可實現高效精準控制。根據實船應用，應在四周有結構約束情況下施工，過程中不能中斷，必須延伸至圍壁結構。薄板分段多為不帶外板，板邊自由狀態，如在分段階段矯平會增加板邊的波浪變形，再結構后續運輸翻身等會出現二次變形，因此薄板分段與外板總組形成強框架再矯平效果更好。見圖10。總段合攏口為自由邊，矯平甲板邊最近硬檔停止矯平，可留至船塢合攏后矯平。

圖10 薄板總段電磁矯平

電磁矯平作為薄板變形的補救措施，效果雖好，也要盡可能控制矯平次數，過度矯平會導致鋼板收縮引起二次變形，因此優先考慮薄板建造過程的變形控制。