船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正

1、船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正摘要：船舶建造過程中的變形是一種常見現(xiàn)象，主要是由于船體結(jié)構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。如不及時(shí)采取有效措施，會(huì)造成尺寸偏差、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強(qiáng)度降低等后果，給下一階段的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，甚至無法達(dá)到規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量要求。因此，研究焊接變形產(chǎn)生的原因，采取正確的控制措施，合理的對(duì)變形進(jìn)行矯正，對(duì)縮短船舶建造周期，提高船舶建造質(zhì)量具有重要意義。關(guān) 鍵 詞：船體結(jié)構(gòu)，變形，控制，火工矯正；Abstract：In the process of shipbuilding deformation is a common phenomenon，

2、mainly due to the hull structure after welding in local and globally deformation。If you don't take effective measures，that will cause size deviation，Structural instability，Strength etc。For the next stage of welding and assembly work very hard，Not only cause other extension, even cannot reach sta

3、ndard stipulated quality requirements。Therefore, the welding deformation causes,and take proper measures to control the deformation correction of reasonable to shorten the cycle of shipbuilding, improve shipbuilding significance。Keyword:hull structure,deformation,control,power fooling0 前言隨著世界造船業(yè)的不斷發(fā)

4、展，我國(guó)已經(jīng)成為世界造船大國(guó)之一。在船舶的建造過程中，新技術(shù)、新工藝不斷得到應(yīng)用，船舶現(xiàn)代化程度也越來越高。但船體本身是特殊的，其外形是個(gè)空間曲面，且船體主要是由焊接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在船舶建造和修理過程中為了修正其結(jié)構(gòu)的變形，船廠通常采用火工矯正的工藝方法?；鸸こC正是用火工對(duì)鋼材進(jìn)行局部加熱進(jìn)行矯正，利用鋼材熱脹冷縮的特性，使加熱區(qū)域的膨脹受到周圍較冷區(qū)域的阻礙而發(fā)生的變形。在船體建造過程中，零件、部件及分、總段的加工，調(diào)運(yùn)、裝配及焊接時(shí)，特別是經(jīng)過焊接后，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的變形，當(dāng)變形超過一定數(shù)值時(shí)，必須隨時(shí)進(jìn)行矯正，才能確保下道工序的正常進(jìn)行。1 船體結(jié)構(gòu)變形原因及形式船舶建造過程中的變形是一

5、種常見現(xiàn)象，主要是由于船體結(jié)構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。如不及時(shí)采取有效措施，會(huì)造成尺寸偏差、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強(qiáng)度降低等后果，給下一階段的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，甚至無法達(dá)到規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量要求。因此，研究焊接變形產(chǎn)生的原因，采取正確的預(yù)防和控制措施，合理的對(duì)變形進(jìn)行矯正，對(duì)縮短船舶建造周期，提高船舶建造質(zhì)量具有重要意義。產(chǎn)生焊接變形最基本和最本質(zhì)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。凡是與焊接熱變形和構(gòu)件剛性有關(guān)的各種因素，都會(huì)對(duì)焊接殘余變形產(chǎn)生影響。與熱變形有關(guān)的因素有焊接工藝方法、焊

6、接參數(shù)、焊縫數(shù)量和斷面大小、施焊方法、材料的熱物理性能等，與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素有尺寸和形狀、胎夾具的應(yīng)用、裝配焊接程序等。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，影響焊接變形的不可知因素很多，試圖完全消除焊接變形是不可能的，只有根據(jù)焊接變形的基本原理及影響焊接變形的主要因素，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，以達(dá)到預(yù)防和控制焊接變形的目的。船體變形可大致分為整體變形，即整個(gè)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生了變化；另一類是構(gòu)件局部變形，它是指發(fā)生于焊接結(jié)構(gòu)某部位的局部變形。整體變形是由于焊縫在各個(gè)方向收縮而引起的，包括收縮變形，彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是由于焊縫的縱向和橫向收縮造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度縮短和寬度變窄；彎曲

7、和扭曲變形是由于焊縫在結(jié)構(gòu)中布置不對(duì)稱時(shí)產(chǎn)生的，也可能由于裝配質(zhì)量不好，焊件擱置不當(dāng)、焊接程序和焊接方向不合理而造成的。通常彎曲變形、扭曲變形與縱向和橫向收縮相伴而同時(shí)發(fā)生變化。局部變形包括角變形、波浪變形和錯(cuò)邊變形。角變形主要由于溫度沿板厚方向分布不均勻和熔化金屬沿板厚方向收縮量不一致而引起的，因此一般多發(fā)生于厚板的對(duì)接街頭。波浪變形產(chǎn)生于薄板結(jié)構(gòu)中，它是由于縱向和橫向的壓應(yīng)力使薄板失去穩(wěn)定而造成的。錯(cuò)邊變形主要是由于組成焊件的兩個(gè)零件在裝夾時(shí)夾緊程度不一致或剛度各不相同或物理性質(zhì)不同，以及裝配不良或電弧偏離坡口中心等原因引起的。2 焊接變形的預(yù)防與控制由于焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們

8、在船舶建造過程中必須做好對(duì)船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變形情況出現(xiàn)。產(chǎn)生焊接變形最基本和最本質(zhì)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。凡是與焊接熱變形和構(gòu)件剛性有關(guān)的各種因素，都會(huì)對(duì)焊接殘余變形產(chǎn)生影響。與熱變形有關(guān)的因素有焊接工藝方法、焊接參數(shù)、焊縫數(shù)量和斷面大小、施焊方法、材料的熱物理性能等，與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素有尺寸和形狀、胎夾具的應(yīng)用、裝配焊接程序等。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，影響焊接變形的不可知因素很多，試圖完全消除焊接變形是不可能的，只有根據(jù)焊接變形的基本原理及影響焊接變形的主要

9、因素，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，以達(dá)到預(yù)防和控制焊接變形的目的。由于焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們?cè)诖敖ㄔ爝^程中必須做好對(duì)船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變形情況出現(xiàn)。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，主要應(yīng)用以下四種辦法控制變形。2.1 正確的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是控制焊接變形與應(yīng)力最主要的方法之一，正確的設(shè)計(jì)能夠有效的減少焊接變形。根據(jù)前人的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，焊縫設(shè)計(jì)原則至少應(yīng)包括以下幾點(diǎn)：選用對(duì)稱截面的結(jié)構(gòu)，盡可能使焊縫對(duì)稱于截面中性軸，避免焊接后產(chǎn)生扭曲或較大彎曲變形；在保證結(jié)構(gòu)承載能力條件下，綜合施工工藝的可能性，盡可能選取小的焊縫尺寸；盡可能減少焊縫數(shù)量，優(yōu)先考慮型鋼代替鋼板，想方

10、設(shè)法提高鋼材的利用率；設(shè)計(jì)薄板結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)校核和提高構(gòu)件的穩(wěn)定性，防止波浪變形。2.2 合理的裝配焊接工藝合理的裝配焊接法是另外一種控制總體和結(jié)構(gòu)變形的重要方法。船體裝配應(yīng)盡可能地在無裝配應(yīng)力強(qiáng)制下進(jìn)行。若裝配應(yīng)力過大，則有可能在未焊接時(shí)即產(chǎn)生波浪變形，對(duì)薄板構(gòu)件的焊接裝配尤其需要注意。 焊接電流、焊接速度、焊接方向、焊接順序、焊接方法等都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。針對(duì)不同的板材及焊接方法，可選取不同的焊接電流與焊接速度，但焊接順序和焊接方向一般來說具有一定的原則性，且對(duì)整個(gè)船體的變形影響顯著。整體造船的常規(guī)焊接工藝程序是：先焊好骨架間的連接焊，焊好殼板間的橫向焊縫、縱向焊縫，焊好骨架結(jié)構(gòu)與殼板問的

11、連接角焊。也有將殼板間縱向焊縫放到最后進(jìn)行焊接的，這樣可以減少船體縱向變形量，但增加了施工難度，對(duì)船廠施工工藝的要求較高。全船焊縫均應(yīng)由船中往兩側(cè)、由舯往艏艉、由下往上焊接，以減少焊接變形，消除焊接應(yīng)力，保證建造質(zhì)量。此外，應(yīng)盡量采用線能量較低的焊接方法，用多層焊代替單層焊，也可顯著地減少焊接變形。2.3 反變形措施反變形措施也稱為變形補(bǔ)償控制，主要針對(duì)船體總尺寸的收縮變形及中垂(或中拱)進(jìn)行變形量的彌補(bǔ)。目前主要采取的措施是在線型放樣中及胎架上施放反變形量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般來說可在縱向每檔肋距加放1mm的焊接收縮量，橫向每檔肋距加放0.5mm的焊接收縮量，可較好的抵消總尺寸的縮短；在每檔肋距施

12、放1mm高度反變形，可較好地抵消船體中垂(或中拱)變形。這兩種反變形措施都具有良好的補(bǔ)償效果。2.4 剛性固定法約束控制剛性固定法是將構(gòu)件固定在具有足夠剛性平臺(tái)或胎架上，待構(gòu)件上所有焊縫冷卻后再去掉剛性固定的方法，一般在無反變形的情況實(shí)施，多應(yīng)用于各種船體構(gòu)件的施焊過程。采取這種措施可使構(gòu)件的變形遠(yuǎn)小于自由狀態(tài)下焊接所產(chǎn)生的變形，特別用來防止角變形和波浪變形效果明顯。3 變形的火工矯正船體在建造過程中必然會(huì)產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后必須進(jìn)行矯正使之達(dá)到質(zhì)量要求。實(shí)踐證明各種結(jié)構(gòu)變形的矯正方法的實(shí)質(zhì)都是設(shè)法制造新的局部變形以抵消原來已有的變形。生產(chǎn)中常用的矯正方法有機(jī)械矯正、火工矯正和綜合矯正，但

13、是機(jī)械矯正適合矯正小型的零部件，而對(duì)于較大的分段變形的矯正，只能由火工矯正來擔(dān)當(dāng)，因?yàn)榛鸸ふ哂性O(shè)備簡(jiǎn)單、就地矯正、激動(dòng)靈活等特點(diǎn)，所以目前被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，所以下面就談?wù)劵鸸こC正?；鸸こC正工藝是一種行之有效的矯正變形與消除殘余應(yīng)力的方法。船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，就是利用金屬局部受熱后，所引起的新的變形去矯正原先的變形。當(dāng)金屬局部加熱時(shí)，被加熱處的材料受熱而膨脹，但由于周圍溫度低，因此膨脹受到阻礙，此時(shí)加熱處金屬受壓縮壓力，當(dāng)加熱溫度為600700時(shí)，壓縮應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生壓縮塑性變形。停止加熱后，金屬冷卻縮短，結(jié)果加熱處金屬纖維要比原先的短，因而產(chǎn)生新的變形。3.1 火工加工在船體建造中的

14、作用在船體建造過程中火工是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，由于整個(gè)船體的外殼就是一個(gè)曲面結(jié)構(gòu)，因此，大多數(shù)的船殼板都有彎曲度，其中不少的船殼板是雙向曲度板。這種雙向曲度板難以用冷加工的方法達(dá)到成型的目的。在實(shí)際生產(chǎn)過程中為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，提高進(jìn)度等原因，只能用火工加工的方法。鋼板經(jīng)加熱，在一定的溫度下，使鋼板的纖維組織重新排列而達(dá)到成形的目的。在船體建造過程中，零件、部件及分段的加工、吊運(yùn)、裝配及焊接等各道程序后，其中特別是經(jīng)過焊接后，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的變形。當(dāng)變形量超過一定的數(shù)值時(shí)，必須立即進(jìn)行矯正，才能確保下道工序的正常進(jìn)行。在船舶航行中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生意外事故，使船殼板因受外力而產(chǎn)生局部“癟坑”

15、。由于這些變形不需將整張殼板調(diào)換，故也常用火工進(jìn)行局部加熱，然后施加外力使其恢復(fù)原狀。因此，在船體建造過程中，不論是鋼板的加工或是矯正都離不開火工。船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，從本質(zhì)上說，是船體零件局部熱加工的逆過程。盡管他們的約束條件有所不同，但基本原理是一直的?；鸸こC正的過程，就是熱處理方法使舊的永久變形轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠谰米冃蔚倪^程。要達(dá)到上述目的，必須在構(gòu)件上補(bǔ)充局部的加熱面積。結(jié)果，加熱部分金屬在熱循環(huán)過程（受熱膨脹并隨之而來的冷卻收縮）中形成不可逆的塑性變形，因而在過程終了后，在加熱區(qū)外部產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力的作用，使已經(jīng)變形的結(jié)構(gòu)恢復(fù)平直。結(jié)構(gòu)的矯正質(zhì)量和矯正效果，在很大程度上就取決于

16、這種拉應(yīng)力大小及其分布情況。決定火工矯正效果的因素主要是加熱的位置和加熱的熱量。不同的加熱方法可以矯正不同類型和不同方向的結(jié)構(gòu)變形。不同熱量，可以獲得不同的矯正變形能力。一般情況下，如果加熱位置正確，熱量越大，矯正能力越強(qiáng)，矯正變形量越大。3.2 火工矯正的主要方法3.2.1 火工矯正的加熱方法一般情況下，火工矯正的加熱處總在焊縫對(duì)稱的反面，對(duì)稱于變形構(gòu)件斷面的中和軸。加熱時(shí)火焰的特性、焰嘴的高低、孔徑的大小、加熱速度等，與矯正變形的效果有著密切的關(guān)系，目前，常用的加熱氣體為氧-乙炔氣和氧-丙烯氣。下面介紹氧-乙炔焰。 火焰的特性：氧-乙炔產(chǎn)生的火焰，有乙炔過剩焰、中性焰和氧氣過剩焰。火工矯正

17、一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有1020mm長(zhǎng)固定的白色亮點(diǎn)，并能清晰看到的這個(gè)白色的亮點(diǎn)。焰心距離：焰心的距離是指火焰的白亮點(diǎn)到鋼板表面的距離。加熱效率最高的地方，也就是溫度最高處是離白亮點(diǎn)末端310mm的地方。所以，焰心與鋼板的距離大小直接影響到加熱的速度和溫度。鋼板厚度與焰心距離的參考數(shù)據(jù)可參考下表： 表一 板厚與焰心距離 單位 mm鋼板厚度34.56810141622242830焰心距離2000334456103.2.2 火工矯正的冷卻方法火工矯正的冷卻方法分空冷和水冷兩種?？绽洌簶?gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后在空氣中自然冷卻，這種冷卻速度較慢，僅適應(yīng)于某些特殊要求的鋼材或冬季施工時(shí)。水冷：

18、構(gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后緊接著澆注冷水進(jìn)行冷卻。這種冷卻能夠加快冷卻速度，提高矯正效率。水冷又分為正面跟蹤水冷和背面跟蹤水冷兩種。特別應(yīng)注意的是采用水冷之前必須確認(rèn)被矯正的構(gòu)件材料是否允許水冷。圖一3.2.3 火工矯正的主要方法在施工實(shí)踐中，要想使火工矯正取得理想的效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形情況，分析變形的原因，確定不同的火工矯正方法。最基本的加熱矯正方法有點(diǎn)狀加熱矯正法、線狀加熱矯正法和三角形加熱矯正法，有時(shí)候還需要同時(shí)采用兩種或兩種以上的矯正方法。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過演變火工矯正的方法歸納為下列常用的幾種方法。表二 火工矯正的加熱方法方法優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍線狀加熱法加熱線寬度一般為鋼板厚度的0.52

19、倍，矯正質(zhì)量好、效率高，適用于矯正板架、變形“瘦馬”變形,板架的起伏波浪變形等.點(diǎn)狀加熱法各點(diǎn)直徑一般不小于15mm,變形量越大,點(diǎn)與點(diǎn)距離越小,一般為50100mm,加熱參數(shù)易掌握、但速度慢、工效低.三角形加熱法適用于矯正較大構(gòu)件的彎曲變形.3.3 火工矯正原理1）利用長(zhǎng)條形加熱線橫向收縮比縱向收縮量大的原理進(jìn)行矯正；2）利用溫度沿板厚方向形成梯度分布從而導(dǎo)致熱塑變形的梯度分布的原理進(jìn)行矯正。例如：對(duì)板的角變形的矯正，千萬不要透燒，否則削弱梯度分布，對(duì)矯正效果不利；3）利用長(zhǎng)條形加熱橫向塑性變形起點(diǎn)與終點(diǎn)變形量的差異進(jìn)行矯正。一般把變形量大的一端放在加熱線的終端，而非始端；4）利用剛性約束能

20、加大熱塑變形量的原理進(jìn)行矯正。如果取水冷卻的火工矯正辦法，讓周圍的金屬盡量保持冷卻以提高周圍約束的剛性，從而增大矯正效果；5）利用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行矯正。如果用輔助工夾具等，以使冷金屬區(qū)域預(yù)先有一個(gè)附加的應(yīng)力壓縮加熱區(qū)金屬，促使壓縮應(yīng)力提早達(dá)到屈服點(diǎn)，而加快熱塑變形以增大矯正效果。3.4 火工矯正參數(shù)1)火工矯正參數(shù)包括火焰性質(zhì)、火焰功率、加熱溫度、加熱區(qū)規(guī)格、火焰至工件表面距離；火焰一般采用氧-乙炔焰。2)鋼板四邊波浪變形時(shí)，加熱長(zhǎng)度一般為板寬的1/21/3，加熱距離視變形越大，距離越近，一般50200mm。矯正厚鋼板彎曲變形時(shí)，加熱深度不超過板厚的1/3。3)加熱點(diǎn)至工件表面的距離應(yīng)以能獲得最高的

21、熱效率為宜。水火矯正厚度為56mm 鋼板時(shí)，水火間距離為約2530mm。4)低碳鋼火焰矯正時(shí),常采用600800的加熱溫度,一般不超過850。3.5 矯正的原則性要求根據(jù)結(jié)構(gòu)材料性能、變形情況及技術(shù)要求，選擇合理的矯正方案和矯正參數(shù)，不宜在結(jié)構(gòu)上形成剛性很大的封閉式加熱圈。為了避免由于局部加熱而引起立體分段或全船總變形，矯正操作應(yīng)盡可能對(duì)稱于船體中線面和剖面中和軸同時(shí)進(jìn)行；在高度方向則應(yīng)自下而上進(jìn)行。在矯正兩個(gè)相鄰的剛性不同的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先矯正剛性較大的結(jié)構(gòu)，即先矯正厚度或構(gòu)件截面較大結(jié)構(gòu)。在矯正幾幅毗鄰并列的變形時(shí)應(yīng)間隔一幅“跳格”進(jìn)行，這樣間隔幅度內(nèi)的變形撓度會(huì)因兩毗鄰板幅的收縮而減小，有利于加速矯正。在矯正板架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先矯正骨材的變形，后矯正板壁的變形。板架中間有不同方向的變形時(shí)，應(yīng)先矯正凹入骨架方向的變形，后矯正凸出的變形。在矯正具有開孔或自由邊緣的板架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先矯正板架結(jié)構(gòu)的變形，后矯正開孔或自由邊緣的變形。上層建筑倒裝分段離胎架前，應(yīng)先將上口矯平直并加強(qiáng)；船臺(tái)矯正上層建筑內(nèi)部圍壁的變形前，應(yīng)先矯正圍壁上、下甲板變形。在矯正船體外板變形時(shí)，水線以下應(yīng)盡量減少加熱面積。當(dāng)矯