舟山中远船务工程有限公司 浙江省舟山市 316131
摘要：在现代造船中，船体结构焊接占据着相当大比例的工作量。在焊接过程中，由于船体结构的特殊性，会导致其焊接后出现局部或整体的变形现象，如果不对其采取及时有效的预防和控制措施，将会导致尺寸精度下降、焊接结构失稳和承载强度降低等严重后果，这不仅会给船体的后续焊接和装配带来极大的影响，造成工程进度的延误，还会使船舶质量无法达到规范和标准规定的质量要求，造成无法换回的损失。因此，根据船体结构焊接变形的产生原因和影响因素，研究船体结构焊接变形的预防和控制措施，对于缩短船舶建造周期和提高船舶建造质量都具有重要的现实意义。
关键词：船体结构；焊接；变形控制
1船体结构特点及其变形产生的原因
船体结构的主要组成部分以骨架和板架两个结构为主，这两个原本相互独立的结构在通过多个连接和焊接步骤处理后才能够制造出成形的船体结构。但是，由于不同板架和骨架的区域材料性质各不相同，尤其是材料之前的熔点和传导性质有明显差异，因此在焊接过程中非常容易出现一个骨架或者板架的内部结构有明显的温度不均匀现象分布，这种温度均匀分布直接造成材料出现不均匀热应变，最后导致结构形成塑性变形。而且，在进行焊接过程中，一般焊接部位的温度都非常高，这种非常高的热量的一旦被输入后就会非常容易造成焊接变形出现，而且这种焊接造成的焊接变形还有不同的种类，出现何种变形种类与热量输入总量、热温度场、焊接结构的约束度三者有直接关系。而对于船体结构来说，其结构的各种变形类型以及扭曲程度主要是与焊接方法、顺序以及焊接线的性质有关。由于一旦因为操作不当导致焊接变形，那么除了会直接造成船体结构的抗弯强度变弱，还会直接影响到船体的生产效率。避免这种焊接变形的最好方法是，在刚开始焊接时就准确预测有可能出现的变形和变形有可能造成的强度跌落幅度等，然后按照变形后结构的确切强度采取针对性的性能改善措施。比如在制造过程中选用比较有针对性且合适的工艺方法，将制造时间缩短，或者尽可能的减少焊接偏差。
2影响焊接变形的因素
（1）焊接顺序。焊接顺序主要是焊接约束力和结构刚性，这种方式是一种直接影响的方式。
（2）焊接方法。焊接方法主要有手工焊接、自动焊接以及气体保护焊接三种。三种焊接方法的温度场均各不相同，因此其造成的变形情况也势必会存在较大不同。但是，通常情况下，自动焊接的变形率比较小，原因是因为自动焊接加热比较集中，整个受热区被严格控制，远比手工焊接受热窄，所以在焊接时也就能够很好的控制变形率。而气体保护汗同样具有加热较为集中的特点，相比于手工焊接而言变形率更小。这种焊接非常适合在薄板结构中使用。
（3）焊接量和焊接面面积。一般而言焊接量和焊接面面积大小与焊接变形率呈正相关，也就是说数量越多且面积越大，那么焊接受热面则越加分散，变形率更高。
（4）焊接形式。所谓焊接形式指的是施焊时是采用连续焊接还是断续焊接的方式，通常情况下，断续焊接由于中途有时间给热量输入缓冲，因此一般变形都比较小。但是连续焊接由于是持续进行，高热量不断影响结构，造成结构受热过度，最后造成严重变形。
（5）焊接工艺参数。所谓工艺参数也就是指电压、电流以及焊接速度等这些指标。一般而言，焊接变形与电流和电压呈正相关，与焊接速度呈负相关。所以，为了减少焊接变形幅度应该减少电压和电流参数，同时加快焊接速度。
（6）材料性能。由于不同材料均有各自不同的导热和比热系数，有些材料耐高温性能比较差，有些材料内高温性能比较高，所以在焊接时就会出现不同材料变形度不同的现象。
3船体焊接变形的种类
总的来说，焊接结构具有较多中焊接变形类型，但是严格来说每一种特殊变形都是由基础变形演变而成。所以，也就是说船体结构的多种变形类型均是在基础变形上发展起来的变异型变形。通常可以根据变形的区域范围分为局部和整体变形两种。而所谓的局部变形就是单一受热区域的某个小区域内发生变形，这种变现损害程度较小，且主要是以屈曲形和波浪形为主，可进行矫正。而整体变形则是整个焊接受热结构形状均已经发生严重变化的现象，这种类型变形以尺寸缩小、形状变弯曲或者扭曲等程度较大的类型为主。
4焊接构件刚性条件变化影响因素
（1）构建性能。一般焊接变形严重程度与构件刚性呈反比，也就是刚性越强变形越小。
（2）使用胎夹具。胎夹具的主要作用是增加构件刚性，而构件刚性月焊接变形成反比，所以若在焊接过程中对构件使用胎夹具，那么将能够有效减少变形率。但是，这种方法的缺陷是用时和用料均会增加。
（3）装配焊接的程序。该因素会影响焊接变形的原因在于其会对不同阶段构件的重心位置和刚性产生较大的影响，所以若装配焊接程序处理不好，那么则会直接影响焊接质量。通常情况下，这种影响因素约束越小那么变形则越大，反正约束越大，那么变形则越小。
5船体结构焊接变形控制措施
由于焊接变形有可能造成的严重后果，我们在船舶建造过程中必须做好对船体变形的控制，尽量减少变形，预防超标准的变形情况出现。
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由于焊接变形有可能造成的严重后果，我们在船舶建造过程中必须做好对船体变形的控制，尽量减少变形，预防超标准的变形情况出现。目前在实际生产中，主要应用以下四种办法控制变形。
5.1正确的焊接结构设计
（1）设计薄板结构时，应校核和提高构件的稳定性，防止波浪变形。②优先考虑型钢代替钢板，想方设法提高钢材的利用率，尽可能减少焊缝数量。③尽可能选取小的焊缝尺寸，在保证结构承载能力条件下，综合施工工艺的可能性。④为避免焊接后产生扭曲或较大弯曲变形，应尽可能使焊缝对称于截面中性轴，选用对称截面的结构。
（2）合理的装配焊接工艺
合理的装配焊接法是另外一种控制总体和结构变形的重要方法。船体装配应尽可能地在无装配应力强制下进行。若装配应力过大，则有可能在未焊接时即产生波浪变形，对薄板构件的焊接装配尤其需要注意。焊接电流、焊接速度、焊接方向、焊接顺序、焊接方法等都会对结构变形产生影响。针对不同的板材及焊接方法，可选取不同的焊接电流与焊接速度，但焊接顺序和焊接方向一般来说具有一定的原则性，且对整个船体的变形影响显著。
（3）反变形措施
反变形措施也称为变形补偿控制，主要针对船体总尺寸的收缩变形及中垂（或中拱）进行变形量的弥补。目前主要采取的措施是在线型放样中及胎架上施放反变形量。根据经验，一般来说可在纵向每档肋距加放1mm的焊接收缩量，横向每档肋距加放0.5mm的焊接收缩量，可较好地抵消总尺寸的缩短；在每档肋距施放1mm高度反变形，可较好地抵消船体中垂（或中拱）变形。这两种反变形措施都具有良好的补偿效果。
（4）刚性固定法约束控制
刚性固定法是将构件固定在具有足够刚性平台或胎架上，待构件上所有焊缝冷却后再去掉刚性固定的方法，一般在无反变形的情况实施，多应用于各种船体构件的施焊过程。采取这种措施可使构件的变形远小于自由状态下焊接所产生的变形，特别用来防止角变形和波浪变形效果明显。
（5）变形的火工矫正
火工矫正工艺是一种行之有效的矫正变形与消除残余应力的方法。船体结构的火工矫正，就是利用金属局部受热后，所引起的新的变形去矫正原先的变形。当金属局部加热时，被加热处的材料受热而膨胀，但由于周围温度低，因此膨胀受到阻碍，此时加热处金属受压缩压力，当加热温度为600℃～700℃时，压缩应力超过屈服极限，产生压缩塑性变形。停止加热后，金属冷却缩短，结果加热处金属纤维要比原先的短，因而产生新的变形。
a火工加工在船体建造中的作用
船体结构的火工矫正，从本质上说，是船体零件局部热加工的逆过程。火工矫正的过程，就是热处理方法使旧的永久变形转变为新的永久变形的过程。尽管他们的约束条件有所不同，但基本原理是一样的。
b火工矫正的主要方法
火工矫正的加热方法。一般情况下，火工矫正的加热处总在焊缝对称的反面，对称于变形构件断面的中和轴。加热时火焰的特性、焰嘴的高低、孔径的大小、加热速度等，与矫正变形的效果有着密切的关系，目前，常用的加热气体为氧-乙炔气和氧-丙烯气。
下面介绍氧-乙炔焰。
火焰的特性：氧-乙炔产生的火焰，有乙炔过剩焰、中性焰和氧气过剩焰。火工矫正一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有10～20mm长固定的白色亮点，并能清晰看到这个白色的亮点。焰心距离：焰心的距离是指火焰的白亮点到钢板表面的距离。加热效率最高的地方，也就是温度最高处是离白亮点末端3～10mm的地方。所以，焰心与钢板的距离大小直接影响到加热的速度和温度。钢板厚度与焰心距离的参考数据可参考下表：4.2.2火工矫正的冷却方法。火工矫正的冷却方法分空冷和水冷两种。
空冷：构件的加热区，经加热后在空气中自然冷却，这种冷却速度较慢，仅适应于某些特殊要求的钢材或冬季施工时。
水冷：构件的加热区，经加热后紧接着浇注冷水进行冷却。这种冷却能够加快冷却速度，提高矫正效率。水冷又分为正面跟踪水冷和背面跟踪水冷两种。特别应注意的是采用水冷之前必须确认被矫正的构件材料是否允许水冷。4.2.3火工矫正的主要方法。在施工实践中，要想使火工矫正取得理想的效果，根据结构特点和变形情况，分析变形的原因，确定不同的火工矫正方法。最基本的加热矫正方法有三角形加热矫正法、线状加热矫正法和点状加热矫正法，有时候还需要同时采用两种或两种以上的矫正方法。在此基础上，经过演变火工矫正的方法归纳为下列常用的几种方法。
c火工矫正原理
①利用长条形加热线横向收缩比纵向收缩量大的原理进行矫正。②利用温度沿板厚方向形成梯度分布从而导致热塑变形的梯度分布的原理进行矫正。例如：对板的角变形的矫正，千万不要透烧，否则削弱梯度分布，对矫正效果不利。③利用长条形加热横向塑性变形起点与终点变形量的差异进行矫正。一般把变形量大的一端放在加热线的终端，而非始端。④利用刚性约束能加大热塑变形量的原理进行矫正。如果取水冷却的火工矫正办法，让周围的金属尽量保持冷却以提高周围约束的刚性，从而增大矫正效果。⑤利用预应力进行矫正。如果用辅助工夹具等，以使冷金属区域预先有一个附加的应力压缩加热区金属，促使压缩应力提早达到屈服点，而加快热塑变形以增大矫正效果。
d火工矫正参数
①火工矫正参数包括火焰性质、火焰功率、加热温度、加热区规格、火焰至工件表面距离；火焰一般采用氧-乙炔焰。②钢板四边波浪变形时，加热长度一般为板宽的1/2～1/3，加热距离视变形越大，距离越近，一般50～200mm。矫正厚钢板弯曲变形时，加热深度不超过板厚的1/3。③加热点至工件表面的距离应以能获得最高的热效率为宜。水火矫正厚度为5～6mm钢板时，水火间距离为约25～30mm。④低碳钢火焰矫正时，常采用600℃～800℃的加热温度，一般不超过850℃。
6结束语
综上所述，在船舶建造过程中，影响船体结构焊接变形的因素有很多，并且每个基本变形模式的控制因素也十分复杂。因此，船舶建造人员应结合船体结构设计的特点，采用固有应变法对船舶结构的焊接变形进行预测，并制定出一些切实有效的矫正措施，对超出公差范围的焊接变形量进行合理的矫正，从而最大限度避免焊接变形现象的出行。
参考文献：
[1]巩新，苏振国，李丹.论船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中国科技博览，2013（24）.
[2]张宁园，张绪旭.船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013（07）.
论文作者:张登宇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/9
标签：船体论文; 结构论文; 构件论文; 刚性论文; 方法论文; 水冷论文; 温度论文; 《基层建设》2017年第33期论文;