舒興樓 陳鵬宇

（海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山316000）

淺談船用薄板焊接變形的控制

舒興樓 陳鵬宇

（海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山316000）

為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高艦船性能，艦船上層建筑等部位普遍采用薄板焊接結(jié)構(gòu)，而薄板變形將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和艦船外觀。文中論述了薄板焊接變形的成因、設(shè)計(jì)與工藝控制方法，這些方法的使用將為優(yōu)化薄板變形的控制工藝提供幫助。

船用薄板；焊接變形；工藝控制

引 言

近年來歐美軍事強(qiáng)國在艦船制造過程中大量使用低合金高強(qiáng)度鋼薄板焊接結(jié)構(gòu)，在減輕艦船自重，提高航速等總體技術(shù)性能指標(biāo)的同時(shí)也面臨著薄板焊接變形的難題。

水線以上較大的焊接變形嚴(yán)重影響艦體美觀，水線以下的變形則易引起艦船線型的變化，降低艦船的快速性等總體性能指標(biāo)。而傳統(tǒng)用于矯正變形的水火法，對工人技能要求較高，既增加工時(shí)，也降低了鋼板的力學(xué)性能和耐腐蝕性。除一般的焊后收縮變形、縱向彎曲變形、角變形等，艦船用薄板的屈曲強(qiáng)度相對較小，焊接后產(chǎn)生的縱向和橫向收縮應(yīng)力易使鋼板局部失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形和“露筋現(xiàn)象”。為提高艦船焊接整體質(zhì)量，需要對艦船薄板的焊接給予足夠的重視［1］。

1 薄板焊接變形的原因

引起薄板焊接變形的原因較為復(fù)雜，焊縫的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板材預(yù)處理、板材切割方法、焊接方法和材料選用、裝配焊接工藝均對薄板的變形均有一定的影響。

焊接和強(qiáng)制裝配等原因會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮殘余應(yīng)力σ，當(dāng)σ大于薄板結(jié)構(gòu)的屈曲臨界應(yīng)力時(shí)，薄板失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形和“露筋現(xiàn)象”。為控制薄板焊接失穩(wěn)變形，可以從兩方面著手，即通過設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)增加薄板板架結(jié)構(gòu)的屈曲臨界應(yīng)力和降低薄板結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力σ［2］。

增加薄板結(jié)構(gòu)屈曲臨界應(yīng)力的方法通常在設(shè)計(jì)階段使用，降低殘余應(yīng)力的方法主要體現(xiàn)在施工階段對薄板結(jié)構(gòu)裝焊工藝的優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)階段應(yīng)對薄板變形的控制措施

根據(jù)以下公式可以得出在設(shè)計(jì)階段控制薄板變形的基本方法：

式中：t為板厚，mm；

B為板寬，mm；

k為板架支撐結(jié)構(gòu)系數(shù)，薄板上的支撐結(jié)構(gòu)越多，k越大。

2.1 板架支撐結(jié)構(gòu)及板縫布置優(yōu)化

在設(shè)計(jì)薄板板架結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過適當(dāng)增加艙壁扶強(qiáng)材的數(shù)量及剖面面積來提高屈曲臨界應(yīng)力。生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，在艙壁合攏口一側(cè)增加臨時(shí)的水平扶強(qiáng)材，或在構(gòu)架上設(shè)置臨時(shí)的槽鋼或角鋼（全船合攏完畢后拆除），也可以提高k值。

板縫布置通常在船舶的施工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段決定，在滿足規(guī)范對角焊縫與對接焊縫間距，以及對接焊縫之間間距要求的前提下，可以將板縫靠近結(jié)構(gòu)件布置，借助構(gòu)件的剛性來減少焊接變形；在拼板時(shí)盡量使用尺寸較大的板，通過減少焊縫數(shù)量可從根本上減少焊接引起的薄板變形；合理安排焊縫位置和對稱布置焊縫，也可以在一定程度上減少焊接變形。

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，減少后續(xù)的火焰工序，也可以有效控制薄板變形。對于有大開口的薄板結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)的套料圖上可以設(shè)置跨過開口的“引橋”，以控制結(jié)構(gòu)裝焊時(shí)的變形。

2.2 焊縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)

薄板的波浪變形和“露筋”現(xiàn)象通常與其角焊縫橫向收縮有關(guān)，現(xiàn)根據(jù)角焊縫橫向收縮經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：式中：Δn為橫向收縮值，mm；

δ為水平板厚度，mm；δV為垂直板厚度，mm；

C為常數(shù)，單面焊取0.66、雙面焊取0.75；K為焊腳高度，mm。

為減小角焊縫的橫向收縮值，在滿足船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，水平板和垂直板的板厚不變時(shí)，減小焊腳高度可以有效減少角變形。除減少焊腳高度以外，艦船上層建筑等結(jié)構(gòu)的焊縫設(shè)計(jì)過程中，在滿足規(guī)范和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求并充分考慮結(jié)構(gòu)防腐蝕要求的情況下，可以適當(dāng)使用交錯(cuò)間斷焊代替雙面連續(xù)焊和雙面對稱間斷焊以控制焊接變形。

3 施工階段薄板結(jié)構(gòu)變形控制的工藝措施

3.1 先行加工階段的工藝控制

先行加工階段包括薄板板材的預(yù)處理，數(shù)控切割下料及板材的邊緣加工。

鋼材預(yù)處理為船體建造的第一個(gè)階段，鋼材預(yù)處理流水線通常包括鋼板的矯平和拋丸加工。矯平可以適當(dāng)糾正鋼板在運(yùn)輸和堆放過程中產(chǎn)生的變形，但6 mm以下的薄板在拋丸后易產(chǎn)生明顯變形。因此在鋼材預(yù)處理階段，可以使用手動(dòng)打磨工具、酸洗對薄板進(jìn)行除銹，或建造專門的薄板預(yù)處理流水線，在薄板上的扶強(qiáng)材裝焊完畢后，對整個(gè)板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋丸除銹。

數(shù)控切割下料階段，薄板的切割下料一般應(yīng)使用數(shù)控等離子切割而非火焰切割機(jī)。等離子水下切割可以在一定程度上控制薄板的變形。除了等離子切割，近年興起的激光切割由于熱源較為集中、速度較快，相比等離子切割，激光切割法的熱輸入量較小，可以減少結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的積累，從而控制變形。對于部分需要進(jìn)行焊前邊緣坡口加工的薄板，邊緣加工時(shí)，使用銑邊機(jī)、刨邊機(jī)等冷加工設(shè)備可以減小先行加工階段的變形。對板材邊緣的氣割面粗糙度進(jìn)行控制，也可以保證板架結(jié)構(gòu)在裝配階段的精度。

3.2 裝配焊接階段的工藝控制

合理的裝配焊接工藝可以在預(yù)防的基礎(chǔ)上有效減小變形。裝配的工藝控制措施主要為控制裝配間隙和放置反變形量以減少裝配應(yīng)力的累積。對于裝配間隙［3］，拼板時(shí)板材的對接錯(cuò)邊值應(yīng)為0～0.1t （t為薄板板厚），對接坡口根部間隙應(yīng)控制在0～2 mm；角焊縫的根部間隙最大不超過0.5 mm，為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，在角焊縫與板材的對接焊縫相交時(shí)，應(yīng)先焊對接焊縫；完成角焊縫構(gòu)件劃線后，再將交叉處的余高鏟平或在構(gòu)件腹板上開挖通焊孔。對于反變形量，應(yīng)由工廠的精度管理部門根據(jù)長期的施工經(jīng)驗(yàn)制定合適的反變形值，但這一措施無法直接解決薄板的失穩(wěn)變形。裝配時(shí)，使用磁吸馬板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接馬板，可以減少割除馬板后的修補(bǔ)工作量，減少了對鋼板的損傷，也有利于變形的控制。此外，變形控制要求較高時(shí)，可以先完成板對接以及骨架結(jié)構(gòu)的裝配，完成后一同焊接［4］。

薄板焊接焊前準(zhǔn)備時(shí)，焊縫較長可以使用壓鐵分布在焊縫兩側(cè)，并使用點(diǎn)固焊對板的四周進(jìn)行固定，在冷卻后予以拆除。需要注意的是，此種方法同胎架固定法一樣，在保證板材線型的同時(shí)，也有可能增加裝配應(yīng)力導(dǎo)致焊縫裂紋，因此不適用于可焊性較差且碳當(dāng)量較高的某些低合金高強(qiáng)度鋼薄板。

3.3 焊接方法及選材的優(yōu)化

焊接時(shí)，選用熱輸入量較小的焊接方法可以控制加熱區(qū)的溫度，減少焊縫收縮量。如使用小直徑焊條，使用多層多道焊，小電流快速不擺動(dòng)焊法等。根據(jù)焊接線能量計(jì)算公式Q=ηUI/V，CO2氣體保護(hù)焊的焊速v是焊條手工焊的3～4倍，經(jīng)計(jì)算選用CO2氣體保護(hù)焊線能量僅為手工焊的30%～40%，對控制薄板變形較為有利。為控制焊腳高度在0.9～1.1K的范圍內(nèi)，可以使用CO2自動(dòng)角焊機(jī)。

3.4 焊接順序的選取

選用合理的焊接順序，以減少焊接殘余應(yīng)力是控制焊接變形的常用手段［5］。船體外板、甲板、圍壁板的拼接，定位焊時(shí)一般應(yīng)先焊變形較大的縱向焊縫（長焊縫），后焊橫向焊縫（短焊縫）；正式焊時(shí)先焊變形較小的橫向焊縫（短焊縫），后焊變形較大的縱向焊縫（長焊縫）。構(gòu)件焊接時(shí)應(yīng)先焊對接焊縫，后焊角焊縫。如同時(shí)存在立焊縫和平焊縫，則先焊立焊縫后焊平焊縫。

表1 某次薄板焊接變形試驗(yàn)使用的工藝參數(shù)

造船的實(shí)踐表明，在遵守一定焊接原則順序的基礎(chǔ)上，編制典型分段結(jié)構(gòu)的焊接順序，對控制薄板變形有著至關(guān)重要的作用。

以某船的上層建筑分段建造為例，先焊板材對接焊縫，后焊構(gòu)架的角焊縫，對稱的薄板圍壁扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)選用雙數(shù)焊工同時(shí)施焊，單條焊縫的長度超過1 000 mm時(shí)，可以用分中逐步退焊法，并且先焊上口的1/3長度，然后由下向上焊，以減少單一方向焊接引起的過大焊接殘余應(yīng)力。為控制合攏后變形，對于上層建筑的門檻板處下端的一塊板暫時(shí)不焊，待船臺合攏時(shí)再焊接。

4 焊后的矯正方法

在通過各種設(shè)計(jì)、工藝手段對薄板焊接變形進(jìn)行控制的同時(shí)，仍然無法避免焊后的火工矯正工作。針對薄板的“露筋”現(xiàn)象使用，應(yīng)采用“線狀加熱法”進(jìn)行火工矯正，并控制烘烤溫度（約500℃～600℃），現(xiàn)場觀測方法見表2。

表2 鋼材表面加熱的顏色估計(jì)加熱溫度℃

目前，我國部分船廠已經(jīng)引進(jìn)了國外開發(fā)的薄板感應(yīng)熱矯平設(shè)備，改善了火工矯正的環(huán)境和效果，對于5 mm以下的薄板焊接變形可以起到很好的矯正效果。

5 結(jié) 論

薄板焊接變形的控制貫穿船舶設(shè)計(jì)、建造的整個(gè)過程，上述某一設(shè)計(jì)或工藝手段可以適當(dāng)減少薄板變形。隨著計(jì)算機(jī)軟件與硬件技術(shù)的進(jìn)步以及理論研究的不斷深入，建立理論模型對焊接變形以及對結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行有效預(yù)測［6］，已成為人們的共識。目前的方法主要有熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法等，今后這些方法的使用將為優(yōu)化薄板變形的控制工藝提供更大幫助，最終形成薄板一次焊接成形，減少甚至無需再進(jìn)行焊后矯正的先進(jìn)工藝。

［1］ 紀(jì)卓尚，桂赤斌.船舶制造工藝力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：109-115.

［2］ 方總濤，孫勃.薄板焊接變形控制措施的研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代焊接，2011（7）：20-22.

［3］ 王長生，薛小懷.薄板焊接變形的影響因素及控制［J］.焊接技術(shù)，2005，34（4）：66-68.

［4］ 方建輝，朱斌，譚新東.船舶建造過程中“瘦馬現(xiàn)象”控制［J］.船舶工程，2010，（32）：109-111.

［5］ 李永正，沈杰，竇培林.船舶典型結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的有限元分析［J］.船舶，2012（4）：54-59.

［6］ 吳華峰，吳劍國，朱榮成.船底結(jié)構(gòu)的焊接系數(shù)研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

Discussion on welding deformation of ship sheet

SHU Xing-lou CHEN Peng-yu
(Navy Representative Office in Wenzhou, Zhoushan 316000, China)

In order to reduce structural weight and improve the ship performance, the welding structures are widely used on the ship superstructure. However, the sheet deformation seriously affects the welding quality and ship appearance. This paper explains the causation, design and process control method of the sheet welding deformation, and the use of the methed can provide assistance for the optimization of the process control of the sheet deformation.

ship sheet; welding deformation; process control

U671.83

A

1001-9855（2014）02-0054-04

2014-01-22；

2014-02-26

舒興樓（1967-），男，高級工程師，主要從事艦船監(jiān)造工作。陳鵬宇（1990-），男，助理工程師，主要從事艦船監(jiān)造工作。