淺談減少船體結(jié)構(gòu)焊接殘余變形的若干措施谷風(fēng)書(shū)屋

1、淺談減少船體結(jié)構(gòu)焊接殘余變形的若干措施（2008年第2期 總第106期） 更新時(shí)間：2008-07-11字體：大 中 小 蔡 春 和 （中國(guó)船級(jí)社福州分社，福州 350001）          摘  要 本文闡述了船體結(jié)構(gòu)焊接殘余變形與應(yīng)力的危害、影響因素及應(yīng)對(duì)措施，著重分析合理的裝焊順序和火焰矯正法，希望能給船舶建造施工有關(guān)人員以啟迪。        關(guān)鍵詞 船體結(jié)構(gòu) 焊接 變形 應(yīng)力 影響因素 措施 

2、        1 引言          船體結(jié)構(gòu)屬于一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。焊接在整個(gè)船體建造總工作量中占相當(dāng)大的比例，高達(dá)30%40%。焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響船體的建造周期、成本和使用性能。電弧焊作業(yè)是一個(gè)不均勻的、快速的加熱和冷卻的過(guò)程，焊接過(guò)程中及焊后結(jié)構(gòu)都將產(chǎn)生變形和應(yīng)力。它是焊接施工中最麻煩也最難處理的問(wèn)題之一。當(dāng)部件和分段因焊接而產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)給船體裝配和焊接帶來(lái)很大的麻煩，甚至因無(wú)法矯正而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的報(bào)廢。焊接變形還將引起甲板

3、失穩(wěn)以及艙壁、外板的凹凸變形，使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的脆斷、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、失穩(wěn)等都有很大的影響，危害性很大。本文對(duì)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因和影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)踐著重介紹一些應(yīng)對(duì)措施和矯正辦法，希望能對(duì)實(shí)船建造有所幫助。         2 影響焊接變形與應(yīng)力的主要因素          產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力的最本質(zhì)的因素是焊接過(guò)程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性條件。在焊接過(guò)程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件的約束，出現(xiàn)

4、了壓縮塑性變形，這就是產(chǎn)生各種殘余變形與應(yīng)力的根本原因。         2.1 與熱變形有關(guān)的因素         2.1.1 焊接工藝方法          不同的焊接方法，將產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)，形成的熱變形也不相同。一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)焊、co2氣體保護(hù)焊變形小些。        

5、 2.1.2 焊接參數(shù)          焊接變形隨焊接電流和電弧電壓的增大而增大，隨焊接速度增大而減少。         2.1.3 焊縫數(shù)量和斷面大小          焊縫數(shù)量愈多，斷面尺寸愈大，焊接變形愈大。          與熱變形有關(guān)的因素還有施焊方法和材料的熱物理

6、性能等。         2.2 與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素          與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素有構(gòu)件的尺寸和形狀、胎夾具的應(yīng)用和裝配焊接順序等。其中裝配焊接順序能引起構(gòu)件在不同裝配階段剛性的變化和重心位置的改變，對(duì)控制構(gòu)件的焊接變形和應(yīng)力有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊接變形大而應(yīng)力小；反之，則變形小而應(yīng)力大。         3 應(yīng)對(duì)措施

7、         3.1 剛性固定法          這種方法簡(jiǎn)單易行，在船舶建造中廣泛應(yīng)用。例如分段上船臺(tái)合攏時(shí)，在定位后常使用馬板進(jìn)行固定，然后才施焊。         3.2 反變形法          反變形法是使焊后變形被反變形所抵消而達(dá)到防止焊接殘余變形的一種積極辦

8、法。其關(guān)鍵是在實(shí)踐中積累和掌握變形的規(guī)律和變形的大小。          （1） 例如，某13000噸化學(xué)品/油船，一開(kāi)始在運(yùn)用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行平板對(duì)接時(shí)常發(fā)生變形如圖1。查明原因后采用反變形法進(jìn)行糾正，效果顯著，如圖2。        （2） 雙層底分段沿長(zhǎng)度方向的首尾上翹變形及沿縱向作出的反變形示意圖如圖3。        通常，當(dāng)分段長(zhǎng)度l8m時(shí)，可不預(yù)作反變形； 

9、;         當(dāng)分段長(zhǎng)度l=812m時(shí)，則作反變形值y=2/1000×lx；          當(dāng)分段長(zhǎng)度l>12m時(shí)，則作反變形值y=1.5/1000×lx。          式中，lx為放變形值處至1/2l（分段長(zhǎng)）之間的距離。          例如

10、，某720teu集裝箱船，分段長(zhǎng)度為10m，于是作胎架反變形值8mm，在長(zhǎng)度方向的收縮余量用加大每檔肋骨間距1mm來(lái)解決。分段建造完工后經(jīng)外形數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)果正常。          （3） 在船臺(tái)合攏中，船體經(jīng)焊接以后引起收縮變形，往往產(chǎn)生總長(zhǎng)縮短以及二端上翹現(xiàn)象。          實(shí)船建造中，為克服這種縱向彎曲變形，通常采用反變形法，如圖4所示。        例

11、如，某12000噸系列油船在船臺(tái)合攏時(shí)考慮了首尾上翹因素，并借鑒了之前建造同類型船舶的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用的反變形值最大處達(dá)50mm，效果很好，最后主尺度和船底撓度測(cè)量值精度很高，都能滿足規(guī)范要求。         3.3 合理的裝焊順序          裝焊順序的基本原則是：先期焊縫產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力與變形盡量不影響或少影響后期焊接的殘余應(yīng)力與變形。對(duì)于比較復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行裝配焊接時(shí)，可以將其分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的部件進(jìn)行分別組裝焊接，然后

12、再進(jìn)行總裝焊接。這樣可以避免某些組裝件的焊接殘余應(yīng)力與變形帶到總體結(jié)構(gòu)上去。造船中采用的船舶分段建造法就是合理裝配焊接順序的實(shí)際應(yīng)用。          合理安排焊接順序是船體結(jié)構(gòu)焊接中十分重要的工藝內(nèi)容，是保證焊接質(zhì)量，減少焊接殘余變形和焊接殘余應(yīng)力的主要措施之一。如果考慮不周，會(huì)造成結(jié)構(gòu)中局部應(yīng)力集中或應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)和焊縫脆性斷裂，同時(shí)也易使船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，增加了其矯正的工作量。本文著重闡述焊接順序如何確定。       &#

13、160; 3.3.1 確定焊接順序的原則          （1） 保證鋼板和焊接接縫一端自由收縮的可能性。          （2） 先焊接對(duì)其他焊縫不起拘束的焊縫。          （3） 在構(gòu)架和板接縫相交的情況下，既有對(duì)接縫也有角接縫時(shí)應(yīng)先焊接對(duì)接縫，然后再焊角接縫。       

14、;   （4） 當(dāng)分段、總段焊接時(shí)，盡可能由雙數(shù)焊工從分段中部逐漸向左右、前后對(duì)稱地施焊，以保證結(jié)構(gòu)件收縮均勻。          （5） 大合攏時(shí)，焊接應(yīng)采用對(duì)稱于縱中剖面的焊接程序，以保證船體中心線不致發(fā)生扭曲現(xiàn)象。          （6） 處于大接頭同一斷面的各種構(gòu)件，應(yīng)先焊大接頭的對(duì)接焊縫，再焊其他構(gòu)件的對(duì)接縫，最后焊其他構(gòu)件的角焊縫。    &#

15、160;    3.3.2 船體構(gòu)架的焊接順序         在船體構(gòu)架上大部分的接頭是角接頭（如立角接縫、仰角接縫和平角接縫），此外還有少量的對(duì)接頭（如平對(duì)接縫、立對(duì)接縫和橫對(duì)接縫）。船體構(gòu)架焊縫的焊接順序是先對(duì)接縫，后角接縫。          對(duì)接縫的焊接順序是先平對(duì)接縫，再橫對(duì)接焊，最后立對(duì)接焊；帶坡口的接頭先焊，不帶坡口的接頭后焊。角接縫的焊接順序是先焊立角接縫，后焊平角接縫。仰角接縫在起吊能力

16、允許的條件下，在完成除仰角接縫之外的焊接工作之后，將分段翻身，變仰角焊為水平角焊，從而提高焊接生產(chǎn)效率和減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也保證了焊縫的質(zhì)量。舉例如下：          （1） 桁材與板列上接頭的焊接順序如圖5所示。        （2） 兩條焊縫呈t型相交叉的對(duì)接縫，其焊接順序先焊焊縫1，后焊焊縫2。如圖6所示。        （3） 兩條焊縫呈十字型相交叉的對(duì)接焊縫、

17、其焊接順序如圖，先焊焊縫1，后焊焊縫2。如圖7所示。        （4） 肋骨框架的裝焊順序。          首尾立體分段的裝焊順序通常為：將肋骨、橫梁、肋板與平臺(tái)上的型線號(hào)對(duì)準(zhǔn)，用“馬”固定后安裝肘板，然后進(jìn)行定位焊。為了防止框架變形，還應(yīng)安裝臨時(shí)加強(qiáng)材。在裝配過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)肋骨、橫梁線型不符合時(shí)，不宜強(qiáng)制成型，需待校正后再裝配，否則會(huì)使整個(gè)框架在解除固定后因回彈而產(chǎn)生變形。     &#

18、160;   3.4 合適的焊接規(guī)范          采用合適的焊接規(guī)范，控制焊接線能量是減少焊接殘余應(yīng)力的一個(gè)重要措施。          具體措施有：采用小直徑焊條焊接，采用多層多道焊接，采用小電流快速不擺動(dòng)焊法，或采用高效的co2焊等。         3.5 焊前預(yù)熱      

19、    預(yù)熱的目的是使焊接區(qū)與局部結(jié)構(gòu)之間的溫差減小，從而降低溫度分布不均勻性，使冷卻速度減慢，降低焊接收縮應(yīng)力，也使產(chǎn)生裂紋傾向變小。         4 焊接殘余變形和應(yīng)力的矯正消除法         4.1 消除焊接殘余變形的方法          消除焊接殘余變形的方法有機(jī)械矯正法和火焰矯正法等，這里著重介紹火焰矯正法。

20、         4.1.1 火焰矯正原則          （1） 在分段建造完成后只對(duì)骨材吊裝接口邊緣的變形進(jìn)行火工校正，減少火工加熱次數(shù)。          （2） 在校正施工中要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定的工作程序和選擇既定的火工參數(shù)，特別是要嚴(yán)格控制加熱溫度，不得隨意更改。        &#

21、160; （3） 絕對(duì)禁止使用鐵錘敲擊，必須錘擊時(shí)只能用木錘和塑料錘。          （4） 對(duì)板的局部凹凸變形采用小火圈加熱形式，火圈直徑為20mm，從外到內(nèi)，火圈疏密視情況而定，一般間距在50100mm。          （5） 板的縱向波浪在加強(qiáng)材兩側(cè)邊緣條形加熱火路距離構(gòu)架5mm，采用隔檔加熱的辦法控制總體變形。          （6） 同一

22、部位加熱次數(shù)不得超過(guò)3次。         4.1.2 火焰矯正加熱方法          火焰矯正法矯正變形的關(guān)鍵是對(duì)火焰加熱部位的選擇。加熱位置一般選擇在被矯正變形方向的反向一邊。例如：彎曲變形應(yīng)選擇在反向彎曲的一側(cè)；另外應(yīng)選擇在變形的鼓凸之處，例如波浪變形應(yīng)選擇在變形的高起部分。船廠采用火焰矯正的辦法來(lái)糾正板材波浪變形，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和不同部位的波浪變形要選擇不同的加熱方法（主要有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱、三角形加熱）（見(jiàn)表1）。

23、0;            4.1.3 火焰矯正法注意事項(xiàng)          （1） 先了解被矯正結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)。實(shí)踐證明火焰矯正基本上對(duì)碳鋼與低合金鋼的性能沒(méi)有不利影響，可以放心地使用。但對(duì)于某些材料如具有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼材則不適用，具體操作時(shí)應(yīng)引起重視。          （2） 加熱火焰一般采用中性焰

24、，采用氧化焰雖加熱速度提高，但對(duì)工件表面有損傷作用。          （3） 露肋處建議火工后自然冷卻，不用冷水澆。尤其是高強(qiáng)度鋼，要盡量避免采用水冷方法矯正變形。         4.2 消除焊接殘余應(yīng)力的方法         4.2.1 錘擊法          其特點(diǎn)是：每焊