《船舶薄板焊接變形工藝與精度控制手段》研究報告僅供查考00

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《船體薄板焊接變形與控制》研究報告2010年10月引言薄板焊接是工業(yè)施工中一項重要工作。許多產品由于產品重量考慮，需采用輕體薄板材料。美國、德國、俄羅斯等一些發(fā)達的軍事強國在建造大型或超大型睡眠艦艇時，出于對艦艇自身重量和艦艇速度的考慮，目前普遍采用高強度薄板厚船體鋼材，從而提高艦艇的戰(zhàn)斗威力。但是，薄板焊接的技術難題也隨之而來，開發(fā)新的焊接工藝，急需用于焊接生產。本文從焊接最基本原理講起，逐步深入，探討薄板焊接過程中的種種變形缺陷，從原理上剖析缺陷產生的原因，進而深入討論薄板焊接工藝，并且，本文研究與中國揚帆集團造船生產實際相結合，深入焊接生產一線，了解焊接工藝，為船用薄板焊接變形控制，提出方案，為我國造船企業(yè)中，薄板焊接工藝提供參考。2010年10月目錄第一章焊接變形初步認識 11.1焊接加熱過程 11.2焊接完成后 11.3焊接變形 1第二章焊接溫度場研究分析 22.1焊接時溫度橫向分布 22.2焊接板塊表面溫度分析示意圖 2第三章焊接變形原因討論 33.1縱向收縮變形 33.2橫向收縮變形 33.3繞曲變形 33.4角變形 43.5波浪變形 43.6焊接錯邊 43.7螺旋變形（扭曲變形） 4第四章焊接變形控制措施總結 54.1焊接變形控制工藝措施 54.2焊接變形控制設計措施 54.3矯正焊接變形的方法 5第五章薄板焊接變形及控制 65.1薄板定義 65.2薄板焊接變形控制： 6第六章船舶薄板焊接變形控制 76.1船舶薄板焊接變形產生的原因 76.2船舶薄板焊接變形的控制 7第七章實際生產中船舶薄板焊接變形控制方案 87.1D917P薄板片體分段結構分析 87.2D917P薄板片體分段制作流程 87.3各工序施工工藝 97.3.1板材、球扁鋼、T型材表面除銹、噴防護漆 97.3.2板材校平 97.3.3等離子板材下料開孔、型材下料 97.3.4磨邊 97.3.5拼板 97.3.6劃線 107.3.7球扁鋼拼焊 117.3.8組件組立 117.3.9構件裝配、焊接 117.3.10D917P分段的變形矯正和檢查切割 127.3.11碳弧氣刨脫胎 127.3.12D917P分段脫胎后去應力矯正 12結論 13參考文獻 14PAGE14第一章焊接變形基本知識了解焊接過程中，溫度應力的分布情況：1.1焊接加熱過程焊接過程中，當焊接溫度降低到600攝氏度以下時，焊接的板塊內產生的熱應力分布情況如下圖所示。焊縫附近區(qū)域產生壓應力，遠離焊縫區(qū)產生拉應力。1.2焊接完成后焊接結束后，焊接的板塊內產生的殘余應力分布情況如下圖所示。焊縫附近區(qū)域產生拉應力，遠離焊縫區(qū)產生壓應力。1.3焊接變形焊接冷卻后，當殘余應力大于材料屈服應力，則發(fā)生變形：第二章焊接溫度場研究分析2.1焊接時溫度橫向分布焊接時溫度橫向分布情況，及產生應力區(qū)域（ANSYS分析結果），溫度在600攝氏度以上不產生應力，溫度低于600攝氏度以下產生塑性變形（不可逆變形區(qū)），在遠離焊縫一定區(qū)域以外彈性變形區(qū)域（可逆變形區(qū)）。參照火工時不同的應力區(qū)，進行火工。2.2焊接板塊表面溫度分析示意圖如下圖ANSYS分析結果第三章焊接變形原因討論溫度變化引起殘余內應力，變形分類如下：3.1縱向收縮變形構件焊后在焊縫方向上發(fā)生收縮，如下圖所示，虛線部分表示變形后的邊緣。焊接結構焊后出現(xiàn)收縮變形是難以修復的，必須在構件下料時加余量。3.2橫向收縮變形構件焊后在垂直方向發(fā)生收縮，如下圖，焊接結構焊后出現(xiàn)收縮變形同樣是難以修復的，必須在構件下料時加余量。3.3繞曲變形deflexiondistortiona,縱向收縮引起的繞曲：由焊縫的縱向收縮引起。b,橫向收縮引起的繞曲：由焊縫橫向收縮引起的。3.4角變形angulardistortion焊后構件的平面圍繞焊縫產生角變形，常見的角變形如下圖所示，主要由于焊縫截面形狀不對稱，或施焊層次不合理致使焊縫厚度方向上橫向收縮不一致所產生。3.5波浪變形焊后構件呈波浪形，如下圖，這種變形在薄板的時最容易發(fā)生。產生的原因是由于焊縫的縱向收縮和橫向收縮在拘束度較小結構部位造成較大的壓應力而引起的變形；或由幾條相互平行的角焊縫橫向收縮產生的角變形而引起的組合變形；或由以上兩種原因共同作用引起。3.6焊接錯邊radiusoff-setjoint接頭錯位3.7螺旋變形（扭曲變形）第四章焊接變形控制措施總結4.1焊接變形控制工藝措施（1）反變形法；backwarddeformation（2）剛性固定法；rigidfastening（3）合理選擇焊接方法和規(guī)范；weldingmethodsandstandard（4）合理裝配順序；assemblesequence4.2焊接變形控制設計措施（1）合理選擇焊縫尺寸和形式；weldsizeandshape（2）盡可能減少不必要的焊縫；reduceunnecessaryweldingfjoint（3）合理安排焊接位置；arrangeweldingposition4.3矯正焊接變形的方法（1）機械矯正法；Machinerectification（2）火焰加熱矯正法。flamestraightening第五章薄板焊接變形及控制5.1薄板定義一般指7mm以下的低碳鋼，大多數(shù)情況下不承受較大載荷，如船舶上層建筑。5.2薄板焊接變形控制：1、材料來源：①可以將薄板壓制成各種端面形式，提高局部穩(wěn)定性；②選用剛度比較高的鋼材。2、焊接控制：weldingcontrol①正確的焊接焊接工藝：采用具有較高的熔敷力技術和盡量減少焊道的辦法；必須采用具有小的熱輸入量。②合理調整焊接順序③焊前制定好的控制措施剛性固定法；焊逢間隙均勻；well-distributedgap焊前采用較小的直徑的焊條點焊，增加焊件剛度；反變形法。④焊接過程中控制措施減小加熱階段產生的縱向塑性壓應變；增加冷卻階段產生的縱向塑性拉應變；⑤焊后控制措施機械矯正；火焰矯正第六章船舶薄板焊接變形控制6.1船舶薄板焊接變形產生的原因①原因：焊接過程中的熱變形和焊接構件的剛性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構件剛性條件大約束，出現(xiàn)了壓縮塑性變形，就會產生各種應力和殘余變形。②變形的種類：縱向收縮；橫向收縮；角變形；縱向繞曲；橫向繞曲；波浪變形。6.2船舶薄板焊接變形的控制①正確選擇焊接方法和焊接材料：盡量采用氣體保護焊；長焊縫必須采用逐步退焊法、跳焊法、分段焊；保證焊接質量的情況下，采用小直徑、小電流焊接方法；②合理選用裝配焊接順序：胎架進行分段整體裝配后，再按焊接順序進行焊接，這樣可以增加結構剛性，對減小變形有利；焊接的原則是先焊對接焊縫，后焊角焊縫，構架應先焊橫向構架，后焊縱向構架；裝配時，應盡可能保持間隙均勻，避免產生裝配初應力；對一些容易變形的構件，在裝配時加一些臨時加強梁，以減小變形。③對薄板結構進行剛性固定后進行焊接：采用剛性固定法，如：壓馬法、壓鐵法、四周固定法、加端板法、熄弧固定法、綜合運用法。第七章實際生產中船舶薄板焊接變形控制方案本章節(jié)以5000CARSPCTC滾裝船中D917P薄板片體分段作為分析對象，對其焊接過程中的變形進行控制，結合實際生產編寫如下焊接工藝流程。7.1D917P薄板片體分段結構分析D917P薄板片體分段的材質為GL-A,它的主要尺寸為9600*12830*370(長*寬*高)，拼板的厚度為6.5mm，肋位間距為850mm，它的結構也是甲板+縱骨+縱桁+強橫梁組成，其中縱骨為球扁鋼，一共有16根，間距為750mm，縱桁為組合T型材，在距中6m處貫通全船，強橫梁為組合T型材，一共有三根，間距為3400mm，結構如圖所示：7.2D917P薄板片體分段制作流程經過對焊接變形分析和對以往工序總結，D917P薄板片體分段制作流程如下：注：分段組立工序在模板胎架上進行7.3各工序施工工藝7.3.1板材、球扁鋼、T型材表面除銹、噴防護漆板材施工前，由于板材在運輸，存放過程中受到外界各種因素的影響，板材表面必然存在大量的氧化物質、油污等，所以D917P分段板材表面的除銹是施工前必不可少的一道工序，D917P分段板材采用電磁吊吊入噴丸機上，經過噴丸機的表面噴丸處理后，D917P分段板材表面的氧化物質、油污等基本能清理干凈。經過噴丸處理完畢后，板材的焊接工序不可能立即進行，在接下來的工序中，板材需要經歷很長的施工過程，所以在噴丸工序完成后，立即對板材表面噴涂一層防護層，在對D917P分段板材進行防護處理時，我們噴涂了一層保護漆——E06-2無機硅酸鋅，保護漆的厚度大約在15~20um。7.3.2板材校平板材校平工序中，按要求每一塊板材都要經過校平機進行校平。D917P分段板材進行校平機時，須反復2-3次，確保充分校平和消除應力，同時也能產生一定的預拉伸效果。校平后，板材要求用電磁吊進行吊卸，堆放在板材的托盤上，堆放時要注意確保平整，并檢查鋼材的外觀質量是否符合要求，確保板材厚度的最大負公差為0.2mm，否則需重新校平。7.3.3等離子板材下料開孔、型材下料由于板材開孔和型材下料都會引起引起變形，同時也對后序焊接工序產生重要影響，所以必須從最初變形進行控制，因此D917P分段板材開孔、型材下料都采用等離子工藝。切割前檢查D917P分段板材的材料規(guī)格，板厚符合要求。板材的擺放要求平整。切割時，采用等NC離子切割，切割后檢查切割板邊的的彎曲度要求控制在0.5mm以內。切割完成后，要求對切口進行清理，對不符合要求的下料和開孔須進行返工修整，完成該工序后，把材料平整的擺放在型材專用的托盤上運到分段組立施工現(xiàn)場。7.3.4磨邊磨邊工序是保證拼板直線邊緣的彎曲度不超過1mm，如果D917P分段板材超過了規(guī)定范圍，須磨邊加工，磨邊加工的直線度控制在0.5mm以內。7.3.5拼板拼板焊接具體包括兩個過程，拼板的裝配和拼板的焊接。拼板焊接總的原則是，拼板的分作兩片，對稱焊接，拼板焊接結束后再合拼。以下具體介紹D917P分段拼板焊接的具體施工過程。拼板的裝配經過了以上的處理后，接下來，鋼板放在托盤上，托運到指定的地點。用電磁吊將吊放在平地上，拉攏對齊，板縫的間隙控制在1mm以內，板面的錯位控制在0.5mm以內；采用小直徑的定位焊，焊條的直徑控制在3.2mm以內，焊前要求烘干，并用保溫筒保溫。定位焊焊接要求是焊縫中間的點焊間距要求是200mm，焊點長度為25mm；焊縫兩端的點焊間距要求是100mm,焊點長度為25mm，采用交錯法進行裝配固定。拼板的焊接方案一：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150X150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，正面的焊接電流為400-450A，反面的焊接電流為450-500A,焊接速度約為680-720mm/min，在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應力的作用。方案二：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150X150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，正面的焊接電流為400-450A，反面的焊接電流為450-500A,焊接速度約為680-720mm/min，拼板焊接正面時，我們采用在待焊縫兩端下方各墊一塊高1mm，寬10mm，長200mm的墊板，確保墊板的中心線在焊縫的中心位置。在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應力的作用。方案三：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150X150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，正面的焊接電流為400-450A，反面的焊接電流為450-500A,焊接速度約為680-720mm/min，在焊前我們在待焊縫的兩邊100mm處，每隔1000mm，放置一對壓鐵，確保在焊接時，對焊縫剛性固定，減少焊接時產生變形。在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應力的作用。方案四：采用單面焊雙面成型法（FBC），在板材的背面加襯墊，襯墊的規(guī)格要求是采用陶瓷墊，襯墊的厚度為2mm，寬度為15mm。拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150X150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，焊接電流為400-450A，焊接速度約為500-600mm/min。在這里我們運用了襯墊，增加了成本，但是增加的襯墊又有兩個優(yōu)點，一是,焊接過程中我們省去了翻轉拼板，；二是，增加了襯墊，相當于在焊接前增加了一道反變形措施。拼版完成后，要求對變形部位進行初步的矯正，矯正方法可以選擇機械矯正或火工矯正。7.3.6劃線劃線環(huán)節(jié)是組立焊接前重要的工序，正確的無誤的劃線是防止焊接變形有效的措施。拼板上要求劃出結構安裝線和汽車綁扎的開孔及安裝線，劃線開出的基準角度線垂直度誤差要求在2mm以內。劃線時要求加放收縮補償量，寬度上每檔要求加放1mm，長度方向上每檔肋位加放1mm。在拼板上對合及檢查線，供完工后檢查用。7.3.7球扁鋼拼焊由于從鋼廠購得的球扁鋼在長度方向上不符合甲板分段的設計要求，需要拼接球扁鋼，球扁鋼的拼接對甲板分段的變形影響尤其嚴重，我們在南通實習考察時，發(fā)現(xiàn)部分球扁鋼的焊接后的直線度已發(fā)生很大的變形，所以在焊接球扁鋼時，焊接參數(shù)尤為重要，我們要求采用手工焊焊接球扁鋼，焊接焊條直徑采用直徑為3.2mm，J422碳鋼焊條。球扁鋼焊接的直線度要控制在0.5mm以內，超過1mm以上需要刨邊處理，超過4mm以上的需要重新焊接。7.3.8組件組立D917P薄板片體分段中組件有縱桁和強橫梁兩大部分，它們均為T型，在小組立平臺完成裝焊、矯正工作。(1)組件組立安裝，施工者要對零件的尺寸精度和形狀精度進行檢查，腹板高度和面板寬度的誤差控制在2mm以內，腹板和面板板邊的直線度誤差控制在2mm以內。組立裝配時，腹板與面板要垂直，偏差要求在1mm以內；腹板與面板的間隙控制在1mm以內。組立后在腹板與面板間加足夠的斜撐，確保焊接時不會導致傾斜。(2)焊接前確認焊接材料選用正確，焊接區(qū)域的鐵銹、氧化皮、油污等清理干凈。焊接參數(shù)選用得當，嚴格控制焊角高度，確?？刂圃?mm以內。(3)焊接后去除臨時斜撐等；檢查焊縫和組件的表面質量并進行修補處理；檢查組件是否變形和傾斜，傾斜度要求控制在2mm以內，腹板邊緣直線度控制在1mm以內，根據(jù)火工要求進行矯正處理。7.3.9構件裝配、焊接分段組立是焊接變形最大的工序，因此，分段的組立要求在模板胎架上進行。分段組立有兩部分，一部分是縱向構件的焊接，包括縱骨和縱桁的焊接；第二部分是橫向構件的焊接。以下我們具體介紹這兩部分的焊接工藝。(1)縱向構件的焊接。包括了兩個步驟，安裝縱向構件和焊接縱向構件。安裝縱向構件，檢查縱骨和縱桁的安裝邊的平直度，縱骨平直度要求控制在4mm以內，縱桁的平直度要求控制在2mm以內。構件需對線安裝，偏差控制在1mm以內，構件與甲板須垂直，傾斜控制在1mm以內，構建與甲板須緊密貼合，間距控制在1mm以內，安裝定位焊要求均勻一致，長度約30mm，間距約為300mm，定位焊在構件兩側交替分布，采用3.2mm以下的小直徑焊條定位焊。焊接縱向構件。方案一：焊接采用CO2氣保焊進行焊接，在構件的兩側同時對稱焊接，每個分段約為4臺焊機，從中央向兩邊對稱焊接，焊接前檢查焊材選用正確；將焊接區(qū)域的鐵銹等清理干凈，焊角的高度控制在5mm以內，焊角高度差要控制在0.5mm以內。方案二：焊接仍然采用CO2氣保焊進行焊接，在構件的兩側同時對稱焊接，每個分段約為4臺焊機，從中央向兩邊對稱焊接，焊接前檢查焊材選用正確；將焊接區(qū)域的鐵銹等清理干凈，焊角高度控制在5mm以內，焊角的高度差要控制在0.5mm以內，不同的是，焊接過程中，我們就對焊接變形進行矯正，也就是在焊接后，當焊縫的溫度降到600攝氏度以下時，我們采用水冷的方法，及時水冷，那么焊接的變形就會比等到冷卻到常溫時的變形要小，這種方法的最大的難點在于對冷卻溫度難以精準判斷，需要經過試驗，計算出在特定的條件下，冷卻到特定溫度，需要多長時間適合水冷。(2)橫向構件的焊接：橫向構件的焊接與縱向構件相似，在安裝定位后，在構建的一側加適當?shù)男睋?，以防止焊接引起的傾斜；在構件安裝時，盡量少焊不必要的的卡碼等臨時固定件。焊接也是采用CO2氣保焊進行焊接，安排偶數(shù)焊工從中央向兩側施焊，采用退焊法施焊，焊角高度要求與縱向構件焊角高度要求一樣。焊后檢查焊接表面質量，進行修補處理。7.3.10D917P分段的變形矯正和檢查切割（1）變形矯正。在脫胎前，就直接對D917P分段進行矯正，然后采用機械矯正法，在變形部位壓上5-10噸的壓載鐵。接下來對骨材的反面的馬肋變形進行背燒，對較大的變形，需要通過外界的機械拉力，再進行火焰矯正。矯正后，保持加載2天以上，讓分段的應力得到充分釋放?；鹧婕訜岬臏囟纫刂圃?50-650攝氏度之間，絕不允許低于250攝氏度，火焰的直徑適合在15mm以上，矯正的原則是，先對變形較小的部位矯正，后對變形較大的部位矯正。對同一部位加熱次數(shù)不允許超過兩次