船舶焊接變形的控制與矯正

1、船舶焊接變形的控制與矯正摘 要：現(xiàn)代造船中焊接工作量在整個船體建造總工作量中占相當(dāng)大的比例，如 不能很好地控制焊接變形，將會給船體裝配、主輔機(jī)系統(tǒng)的安裝帶來極大困難， 甚至達(dá)不到檢驗(yàn)要求；本文針對船舶焊接變形的控制與矯正問題， 首先分析了產(chǎn) 生變形的原因，然后闡述了各種焊接變形的種類，最后分別從變形的控制以及矯 正兩個方面探討了減少焊接變形的方法。關(guān)鍵詞：船舶；焊接變形：變形控制；矯正0.前言1船體具有足夠強(qiáng)度是船舶安全航行、正常營運(yùn)的基礎(chǔ)。要保證船體強(qiáng)度，在 建造檢驗(yàn)中，必須控制好造船材料、結(jié)構(gòu)裝配及結(jié)構(gòu)焊接三個環(huán)節(jié)的質(zhì)量。 而三 個環(huán)節(jié)中，焊接又是船體建造中最重要又最難控制的一個環(huán)節(jié)。 如

2、何控制和提高 焊接質(zhì)量，對船體監(jiān)造驗(yàn)船師來講是一個重要課題。眾所周知，所謂船體建造，具過程就是施工者依據(jù)施工圖紙的技術(shù)要求對不 同規(guī)格的鋼材進(jìn)行“放樣、下料、加工”，然后再利用焊接工藝方法將它們“縫 合”在技術(shù)圖紙所規(guī)定的各自的位置上， 從而形成整個船體。焊接對保證船體的 強(qiáng)度起著決定性作用。在本文中著重講解討論船舶焊接變形的控制與矯正。船體結(jié)構(gòu)是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代造船中焊接工作量在整個船 體建造總工作量中占相當(dāng)大的比例，焊接的質(zhì)量和生產(chǎn)效率直接影響到船體的建 造周期、成本和使用性能。對船體鋼板比較薄的船舶來說，焊接引起的變形更為 嚴(yán)重，如不能很好地控制焊接變形，將會給船體裝配、

3、主輔機(jī)系統(tǒng)的安裝帶來極 大困難，甚至達(dá)不到質(zhì)量檢驗(yàn)要求，施工中焊接變形的控制與矯正顯得尤為重要。 為了更好的控制焊接變形以及對焊接變形進(jìn)行矯正，本文首先分析一下焊接變形 的原因。1. 焊接變形產(chǎn)生的原因電弧焊是一個不均勻的快速加熱和冷卻的過程。 焊接過程中及焊后， 焊接構(gòu)件都將產(chǎn)生變形。 影響焊接變形最根本的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性條件。 在焊接過程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件的約束 出現(xiàn)了壓縮塑性變形這就產(chǎn)生了焊接殘余變形。鋼材的焊接通常采用熔化焊方法, 是在接頭處局部加熱,使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬 , 形成熔池 , 隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬,使原來分開的鋼材

4、連接成整體。由于焊接加熱,融合線以外的母材產(chǎn)生膨脹,接著冷卻,熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮 ,因加熱、 冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進(jìn)行, 膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。 這樣,在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多,但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝3 個方面。1.1 材料因素的影響材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān),而且和母材也有關(guān)系 ,材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都對焊接變形的產(chǎn)生過程有重要的影響。 其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)上,一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越

5、小,溫度梯度越大,焊接變形越顯著。力學(xué)性能對焊接變形的影響比較復(fù)雜,熱膨脹系數(shù)的影響最為明顯 , 隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用 ,一般情況下,隨著彈性模量的增大,焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應(yīng)力,焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大,從而可能促使脆性斷裂,此外 , 由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大,因而焊接變形得以減少。不同的材料具有不同的熱物理性能，例如材料不同，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和膨脹系數(shù)等均不相同，產(chǎn)生的熱變形也不相同，焊接變形也不相同。1.2 結(jié)構(gòu)因素的影響焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對焊接變形的影響

6、最關(guān)鍵 ,也是最復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加,焊接殘余應(yīng)力增加,而焊接變形則相應(yīng)減少。結(jié)構(gòu)在焊接變形過程中 ,工件本身的拘束度是不斷變化著的 ,因此自身為變拘束結(jié)構(gòu),同時還受到外加拘束的影響。 一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位 ,而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加,在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時,常需要采用筋板或加強(qiáng)板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性,這樣做不但增加了裝配和焊接工作量,而且在某些區(qū)域,如筋板、 加強(qiáng)板等 ,拘束度發(fā)生較大的變化 ,給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化,

7、對減小焊接變形有著十分重要的作用?？傮w歸納起來結(jié)構(gòu)因素主要包括以下兩個方面：（ 1） 焊縫數(shù)量和斷面大?。煌ǔ碇v焊縫數(shù)量愈多，斷面尺寸愈大，焊接變形愈大。（ 2） 焊縫接頭形式對接焊和角接焊的溫度場不同， 產(chǎn)生的熱變形也不同。 通常對接焊變形較大，角接焊變形相對較小。（ 3） 構(gòu)件的尺寸和形狀。隨著構(gòu)件剛性的增加，焊接變形愈小。1.3 工藝因素的影響焊接工藝對焊接變形的影響方面很多 , 例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。在各種工藝因素中 ,焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著 ,一般情況下,改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài),減少

8、焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中,總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn),利用特殊的工藝規(guī)范和措施,達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形,改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。歸納起來焊接工藝的影響主要包括以下幾個方面：（ 1） 焊接參數(shù)即焊接電流、電弧電壓和焊接速度。線能量愈大，焊接變形愈大。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小。在三個參數(shù)中，電弧電壓的作用明顯，因此低電壓高速大電流密度的自動焊變形較小。（ 2） 施焊方法。連續(xù)焊、 斷續(xù)焊的溫度場不同， 產(chǎn)生的熱變形也不同。 通常連續(xù)焊變形較大領(lǐng)續(xù)焊變形最小。（ 3） 焊接工藝方法。不同的焊接方法， 將產(chǎn)生

9、不同的溫度場， 形成的熱變形也不相同。 一般來說自動焊比手工焊加熱集中，受熱區(qū)窄，變形較小。CO2氣體保護(hù)焊焊絲細(xì)，電流 密度大，加熱集中，變形小，比手工焊更適合于薄板結(jié)構(gòu)的焊接(4)胎夾具的應(yīng)用。采用胎夾具，增加了構(gòu)件的剛性，從而減小了焊接變形。(5)裝配焊接程序。裝配焊接程序能引起構(gòu)件在不同裝配階段剛性的變化和重心位置的改變， 對 控制構(gòu)件的焊接變形有很大的影響。 一般來說，焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊 接變形大，反之，則變形小。2 .船體焊接變形的種類任何焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形，總是由一些基本類型的焊接變形所組成，船體結(jié) 構(gòu)也不例外。焊接變形可分為整體變形和局部變形。 整體變形就是焊接以后，

10、整 個構(gòu)件的尺寸或形狀發(fā)生的變化(如圖 1所示)，包括縱向和橫向收縮(總尺寸 縮短)，彎曲變形(中拱、中垂)和扭曲變形等。局部變形是指焊接以后構(gòu)件的 局部區(qū)域出現(xiàn)的變形，包括角變形和波浪變形等。b)c)圖1焊接所產(chǎn)生的各種變形3 .控制船體焊接變形的原則與方法焊接過程中的熱變形和施焊時焊接構(gòu)件的剛性條件是影響焊接殘余變形的兩個主要因素。根據(jù)這兩個主要因素可以認(rèn)為焊接殘余變形是不可避免的，即完全消除焊接變形是不太可能的?？刂坪附託堄嘧冃伪仨殢拇w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝兩個方面同時采取措施。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上除了要滿足船舶的強(qiáng)度和使用性能外，還必須滿足船舶制造中焊接變形最小及耗費(fèi)勞動工時最低的要求。焊接

11、工藝是船體施工中的重要工 藝之一。合理的焊接工藝是減少焊接變形， 減少應(yīng)力集中的有效方法。船體結(jié)構(gòu) 不按照焊接工藝特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將帶來過大的殘余變形，削弱船舶強(qiáng)度，影響船 舶使用性能。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了控制船體焊接變形，設(shè)計(jì)院、船廠在設(shè)計(jì)中采取 了各種措施，如將船體分為若干小部件與船體分段， 使焊接變形分散在各個部件 上，便于船體變形的控制與矯正；使船體焊縫的布置與船體分段截面中性軸對稱 或接近截面中性軸，避免焊接后產(chǎn)生扭曲和過大的彎曲變形；對每一條主要焊縫， 盡可能選擇小的焊腳尺寸和短的焊縫；避免焊縫過分集中和交叉布置；盡可能采 用寬而長的鋼板或能減少焊縫數(shù)量的結(jié)構(gòu)形式(如槽形艙壁)等

12、等。焊前預(yù)防主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。(1)預(yù)變性法或稱反變形法是根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向， 在待焊工件 裝配時造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量 (反變形量)，焊后焊 接殘余變形抵消了預(yù)變形量，使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。(2)預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹 量的情況下進(jìn)行的，圖2預(yù)熱去除預(yù)拉伸如圖 2 所示，焊前，去除預(yù)拉伸或加熱，薄板恢復(fù)初始狀態(tài)，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力， 控制焊接變形。 預(yù)熱的作用在于減小溫度梯度， 不同的預(yù)熱溫度在降低殘余應(yīng)力的作用方面有一定的差別，預(yù)熱溫度在 300 C400 C時，在鋼

13、中殘余應(yīng)力水平降低了 30 %50 %,當(dāng)預(yù)熱溫度為200 C時，殘余應(yīng)力水平降 低了 10 % 20 %。（ 3） 剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。4. 船體焊接變形的矯正船體建造過程中， 雖然在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝上采取措施來控制施工中所產(chǎn)生的焊接變形， 但由于焊接過程的特點(diǎn)和船體施工工藝的復(fù)雜性， 一般來講， 產(chǎn)生焊接變形是不可避免的，對出現(xiàn)的超過設(shè)計(jì)要求的焊接變形必須進(jìn)行矯正。矯正工藝只限于矯正焊接構(gòu)件的局部變形， 如角變形， 彎曲變形， 波浪變形等等， 對于船體結(jié)構(gòu)的整體變形如縱向和橫向收縮 （總尺寸縮短） 只能通

14、過下料或裝配時須放余量、 補(bǔ)償量來調(diào)整。 矯正變形的方法有兩種， 即火焰矯正法和機(jī) 械矯正法。4.1 火焰矯正法火焰矯正法是通過對變形構(gòu)件金屬進(jìn)行有規(guī)則的火焰集中加熱。 冷卻后， 焊 接構(gòu)件這部分金屬獲得不可逆的壓縮塑性變形，使整個焊接構(gòu)件變形得到矯正。火焰矯正法同樣要消耗材料一部分塑性， 對干脆性材料或塑性差的材料要謹(jǐn)慎使用。 要適當(dāng)控制火焰加熱的溫度。 溫度過高材料機(jī)械性能降低， 溫度過低使矯正效率降低。 由于冷卻速度對矯正效果不產(chǎn)生任何影響， 船廠多采用邊加熱邊噴水玲卻的方法，既提高了工作效率，又提高了矯正效果?；鹧娉C正法又分為整體加熱和局部加熱。（ 1） 整體熱矯正法整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)行矯正的方法,可用以消除較大的形狀偏差（如圖 3 所示） 。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用 ,限制了該方法的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。（ 2） 局部熱矯正法局部熱矯正多采用火焰對焊接構(gòu)件局部加熱， 在高溫處， 材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約， 產(chǎn)生局部壓縮塑性變形， 冷卻后收縮， 抵消了焊后部位的伸長變形，達(dá)到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設(shè)備, 方法簡便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。a火工矯正后的部位b火工矯正后的部位圖3火工矯正4.2 機(jī)械矯正法機(jī)械矯正法是在室溫條件下，對焊接構(gòu)件施加外力，便構(gòu)件壓縮