閆永思 ，袁紅莉，陳維威

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361000；2.廈門船舶重工股份有限公司，福建 廈門 361000)

?

船舶建造過程中薄板變形問題及其控制

閆永思1，袁紅莉1，陳維威2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361000；2.廈門船舶重工股份有限公司，福建 廈門 361000)

采用薄板焊接結(jié)構(gòu)的船舶在建造中為了保證建造質(zhì)量，必須對(duì)薄板變形加以控制。薄板變形問題不僅影響著船舶整體外觀，而且關(guān)系到船舶安全與性能。為減少船舶建造過程中的薄板變形，分析了不同施工階段引起薄板變形的原因，并結(jié)合實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同階段控制薄板變形的有效工藝措施做了總結(jié)，給出了有效控制薄板變形的焊接工藝參數(shù)。

薄板；船體變形；焊接變形；矯形工藝

0 引言

由于船舶薄板焊接結(jié)構(gòu)能減輕船舶自重，提高航速等技術(shù)性能，而且薄板本身也具有重量輕、工藝性能好(易加工、易成型)的特點(diǎn)，所以薄板焊接結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。但是，薄板自身拘束度小，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向收縮、縱向收縮、回轉(zhuǎn)變形、角變形和彎曲變形等問題[1]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形，且很難矯正，因而薄板變形的控制一直是船舶建造的難題之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于薄板焊接結(jié)構(gòu)比較注重其理論研究，而對(duì)工藝措施則研究不足。本文結(jié)合實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)控制薄板變形的工藝措施做了總結(jié)并給出有效控制變形的焊接工藝參數(shù)。

1 產(chǎn)生薄板變形的主要原因

薄板在船舶建造的堆放、吊裝、下料、拼板過程中都會(huì)產(chǎn)生變形。同時(shí)，建造過程中施工工藝也會(huì)引起薄板變形，其中焊接是引起薄板變形的最主要工藝。薄板焊接變形與焊接材料、工藝、方法及設(shè)備、環(huán)境等諸多因素有關(guān)，是在船舶建造過程中最難控制的[2]。

薄板堆放時(shí)，如果堆放不合理，比如堆放層數(shù)太多，薄板與架臺(tái)之間接觸面積太小引起薄板受力集中而變形。吊裝時(shí)引起薄板變形的主要因素也是受力集中。在下料階段，不同的切割方法會(huì)引起不同程度的切割變形。激光切割產(chǎn)生的變形比等離子切割產(chǎn)生的薄板變形大。船廠大部分用的是等離子切割技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)切割下來的薄板，立即會(huì)經(jīng)過外力拉伸的處理工序，因此產(chǎn)生的變形很小，可以忽略。在拼板、組立階段，薄板變形的主要形式是焊接變形。引起薄板焊接變形的最本質(zhì)因素有2種，分別為：熱變形和焊件的剛性條件。

焊接變形的形成原因可大致分為以下幾點(diǎn)：

(1)焊縫的位置不對(duì)稱。焊縫不對(duì)稱會(huì)引起薄板的焊接彎曲變形。焊縫位置的布置應(yīng)當(dāng)盡量靠近焊件截面的中和軸，焊縫離中和軸越遠(yuǎn)變形就會(huì)越大[3]。布置多道焊縫時(shí)，焊縫應(yīng)當(dāng)對(duì)稱于焊件界面的中性軸布置，從而減小焊件的彎曲變形。

(2)連續(xù)焊產(chǎn)生的熱變形比斷續(xù)焊產(chǎn)生的熱變形大。

(3)焊縫數(shù)量越多、截面的尺寸越大所產(chǎn)生的焊接變形就會(huì)越大。設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少不必要的焊縫，從而減少焊接變形。

(4)焊接方向不合理。焊縫的焊接方向的不同會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)。

焊接分段階段產(chǎn)生的薄板結(jié)構(gòu)變形主要是由焊件結(jié)構(gòu)的裝焊順序不合理引起的。焊件結(jié)構(gòu)的裝焊順序能引起構(gòu)件在不同裝配階段剛性化和重心位置改變，若順序安排不合理，將會(huì)產(chǎn)生焊接變形。因此，焊接分段階段應(yīng)先安裝縱向角鋼或球扁鋼，待焊接后再安裝橫向扁鋼、T 型材、片體等結(jié)構(gòu)。

2 薄板變形的控制

薄板變形問題產(chǎn)生于船舶建造的每一個(gè)階段，從堆放、吊裝到下料加工階段、拼板階段、中小組立、片體階段、大組立階段。每一個(gè)階段都有相應(yīng)的控制薄板變形的措施。堆放、吊裝階段的變形是機(jī)械變形，是因?yàn)榘宀氖芰Σ痪鶆蛩穑缓竺媸┕るA段的變形絕大部分都是由焊接引起的變形，焊接變形也是船舶建造中變形產(chǎn)生的主要原因?？刂坪附幼冃蔚拇胧┮话憧梢苑譃?種：焊前措施、焊接過程中措施和焊接后的措施[4]。

2.1 堆放吊裝階段薄板變形控制

堆放階段如果薄板堆放的層數(shù)太多，堆放平臺(tái)不平整就會(huì)引起板材受力不均而產(chǎn)生塑性變形。在堆放薄板時(shí)，應(yīng)該增加板材與支撐板架之間的接觸面積，并且不要堆壓太高。板材吊裝時(shí)，用門架來支撐板材會(huì)使得薄板受力更加均勻不易產(chǎn)生變形。中組立片體吊裝應(yīng)焊接吊碼，避免用鋼板夾產(chǎn)生塑性變形。運(yùn)輸過程盡量采用大托盤或平板車運(yùn)輸，如需采用門架疊放運(yùn)輸，應(yīng)用連體門架。運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)注意疊放平穩(wěn)，大塊放在底下，減少長(zhǎng)時(shí)間放置產(chǎn)生應(yīng)力變形，禁止不規(guī)則疊放(根據(jù)片體形狀不同采取正確疊放，原則上采取3～4 個(gè)門架放置)。

2.2 下料加工階段的變形控制

無論是球扁鋼或者角鋼下料后必須經(jīng)過擋床或者火工校直，直線度小于3 mm。

板材10 mm 以下必須采用等離子切割下料，下料前，要檢查放置在切割平臺(tái)的板材水平度以及是否有變形，板邊不能出現(xiàn)明顯的上翹或下塌，確保切割面垂直度。切割時(shí)，應(yīng)先調(diào)整好與板厚匹配的機(jī)臺(tái)電壓、電流、氣壓、速度等參數(shù)再開始切割，保證零件尺寸精度和板邊的垂直度≤4°(即7 mm 板的板邊上下面尺寸差應(yīng)不大于0.5 mm)。為減少各階段變形，拼板肩上盡量減少開孔。

2.3 拼板階段

拼板階段要保持場(chǎng)地的平整度，每個(gè)月對(duì)地線進(jìn)行刨平1～2次，保持地面平整。

調(diào)整好匹配的焊接參數(shù)，以減小焊接變形，保證焊接質(zhì)量。拼扳焊縫埋弧焊焊接后不允許有折角，如焊接后產(chǎn)生折角可采取以下3種方式處理：

(1)放壓載鐵等重物約束變形，待焊縫冷卻后再移開。

(2)焊縫上面墊板采用大錘進(jìn)行錘擊的方式對(duì)焊縫消除應(yīng)力。

(3)以氣刨重新焊接的方式進(jìn)行處理。折角變形控制在2 mm 以內(nèi)。焊縫檢查制作直線木樣板進(jìn)行比對(duì)。板片原則上需縱向翻身，如采用橫向翻身應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行加強(qiáng)。拼板后板片應(yīng)減少不均衡疊壓，避免局部受到折角或不規(guī)則變形。

板片拼板后疊放時(shí)，板面應(yīng)放在吊耳等高的圓管支撐上。吊耳應(yīng)套圓管保護(hù)，以減少疊放變形。拼板片體的運(yùn)輸采用固定工裝門架。拼板焊接的工藝參數(shù)見表1。

表1 拼板焊接工藝參數(shù)

2.4 中小組立和片體階段

此階段T型材采用角焊機(jī)焊接，3 m長(zhǎng)以上進(jìn)行分段退縮焊以減少變形。焊接后進(jìn)行水火矯直，直線度偏差小于3 mm。

所有片體在水平框形胎架上面制作。大組立安裝自由邊采用活絡(luò)加排進(jìn)行加強(qiáng)控制變形，結(jié)構(gòu)通過拼板焊縫位置采用焊縫打磨平的方式進(jìn)行裝配，禁止在結(jié)構(gòu)上面以通焊孔的方式安裝。片體制作先安裝縱向角鋼或球扁鋼，焊接應(yīng)采用單頭或者雙頭角焊機(jī)進(jìn)行焊接，再裝配橫向扁鋼、T 型材。片體骨材焊接時(shí)先從中間往兩邊焊接，如果結(jié)構(gòu)較多應(yīng)采取間隔跳焊。

片體每根骨材的焊接需采取退縮焊接方式進(jìn)行，應(yīng)注意保留待焊區(qū)。片體球扁鋼焊接盡可能的采用角焊機(jī)進(jìn)行，嚴(yán)格控制焊接電流電壓。焊前焊角、焊接順序標(biāo)注清晰，而型材必須先對(duì)接校直后才能上片體裝焊。

片體制作完整之后首先對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行火工矯直，直線度控制在3 mm 以內(nèi)；接著將片體翻身，加排并組合成一體。合攏接口采用固定加排進(jìn)行加強(qiáng)，不背燒。加排的主要目的是為了方便吊運(yùn)及分段的最后火工矯正。

2.5 大組立階段

此階段胎架的水平度偏差不能超過3 mm。強(qiáng)結(jié)構(gòu)如T型材和縱橫壁片體結(jié)構(gòu)的下面必須要有胎架支撐。

為減小變形應(yīng)提前將自由邊固定加排預(yù)埋進(jìn)胎架里面(分段脫胎帶入分段中)。基準(zhǔn)板上胎架后與胎架的連接采用小鐵板進(jìn)行焊接，以減少對(duì)胎架平面度的損壞。此階段控制薄板變形的一個(gè)重要措施是要恰當(dāng)處理焊接及火工，尤其對(duì)焊接順序要安排得當(dāng)。一般原則是：先焊外板與外板拼板焊縫，然后焊結(jié)構(gòu)的對(duì)接焊縫，再焊結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的角焊縫，最后焊接結(jié)構(gòu)與外板之間的角焊縫?；鸸ぴ诜侄瓮旯ぶ斑M(jìn)行。焊接參數(shù)的明確規(guī)定是為了保證焊接及焊后的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)焊接的工藝參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)焊接的工藝參數(shù)

焊接順序也是影響薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的重要因素。為使得薄板焊接變形盡可能得小，要選擇合理的焊接順序。

(1)基準(zhǔn)板對(duì)接縫焊接順序

基準(zhǔn)板定位前胎架的基準(zhǔn)面以及密度必須滿足精度要求，同時(shí)要遵守基準(zhǔn)板不點(diǎn)胎的相關(guān)規(guī)定，以減少修補(bǔ)量。補(bǔ)充說明：基準(zhǔn)板不點(diǎn)胎，不是整片基準(zhǔn)板都不點(diǎn)胎，而是僅選取基準(zhǔn)板的幾個(gè)“硬點(diǎn)”進(jìn)行固定，這些硬點(diǎn)例如：T 型材與T型材的交點(diǎn)，T 型材與壁板的交點(diǎn)，壁板與壁板的交點(diǎn)等。當(dāng)這些硬點(diǎn)處在需求的平面之后，表明整個(gè)構(gòu)架的平面度符合要求?；鶞?zhǔn)板若是由2～3 塊拼板拼接而成，板縫則可以從頭至尾焊接完整，不用退縮焊。

(2)基準(zhǔn)板上面型材的焊接順序

焊接順序：平對(duì)接→立對(duì)接→立角焊→平角焊→由內(nèi)往外。若基準(zhǔn)板需要待焊區(qū)的必須保留，一般情況下，與外圍板對(duì)接的結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D紙標(biāo)注需求預(yù)留待焊區(qū)，以確保后續(xù)對(duì)接的精度。

(3)分段裝配完整后，按規(guī)范實(shí)施焊接。分段完整性壁板對(duì)焊接的焊接順序：平對(duì)接→立對(duì)接→立角焊→平角焊→由內(nèi)往外。

(4)甲板的焊接要采用對(duì)稱退縮焊，舾裝件的焊接也要處于受控狀態(tài)。分段胎上完整性之后，脫胎要水平放置，支撐必須在強(qiáng)檔處,然后才能進(jìn)入火工階段。

(5)壁板凹凸變形的火工順序。壁板背燒時(shí)應(yīng)每間隔一檔進(jìn)行背燒。實(shí)際操作時(shí)從變形小的先進(jìn)行，然后再進(jìn)行變形大的，直到最后完整為止。

(6)型材與壁板同時(shí)進(jìn)行的火工順序。當(dāng)型材與壁板同時(shí)變形的時(shí)候，應(yīng)先火工型材再火工壁板然后待壁板校平之后再對(duì)變形超標(biāo)型材進(jìn)行火工。

(7)對(duì)于有些變形量較大的板，雖經(jīng)火工處理，但還無法達(dá)到精度要求的，則必須采用借助外力輔助的火工方法，起到事半功倍的效果。

3 結(jié)論

本文主要從建造工藝這一方面闡述了船舶建造過程中所面臨的薄板變形問題，以及工藝上對(duì)于薄板變形的控制措施，重點(diǎn)陳述了焊接工藝對(duì)焊接變形的影響，并且文章在總結(jié)建造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了控制薄板變形的具體工藝措施和焊接工藝參數(shù)。以上所述工藝措施和工藝參數(shù)在控制薄板變形方面都取得了很好的效果。

[1] 方總濤，孫勃，李春潤(rùn)，等.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.

[2] 杜小明，廖鑫海.船舶薄板焊接變形及對(duì)策[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2012,31(19):51-53.

[3] 王長(zhǎng)生，薛小懷,樓松年，等.薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術(shù),2008,34(4):66-68.

[4] 陸?zhàn)惪∶?，陳家?薄板結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬及其應(yīng)用[J].電焊機(jī),2007,37(6):71-74.

[5] 張蔚.高速船鋼質(zhì)薄板結(jié)構(gòu)焊接變形研究 [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

2015-04-15

閆永思(1990—)，男，碩士研究生，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能與安全性研究;袁紅莉(1967—)，女，高級(jí)工程師，副教授，主要從事船舶建造工藝技術(shù)研究。

U671.4

A