淺談減少船體結構焊接殘余變形的若干措施谷風書屋

1、淺談減少船體結構焊接殘余變形的若干措施（2008年第2期 總第106期） 更新時間：2008-07-11字體：大 中 小 蔡 春 和 （中國船級社福州分社，福州 350001）          摘  要 本文闡述了船體結構焊接殘余變形與應力的危害、影響因素及應對措施，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人員以啟迪。        關鍵詞 船體結構 焊接 變形 應力 影響因素 措施 

2、        1 引言          船體結構屬于一種典型的焊接結構。焊接在整個船體建造總工作量中占相當大的比例，高達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)是一個不均勻的、快速的加熱和冷卻的過程，焊接過程中及焊后結構都將產(chǎn)生變形和應力。它是焊接施工中最麻煩也最難處理的問題之一。當部件和分段因焊接而產(chǎn)生變形時，會給船體裝配和焊接帶來很大的麻煩，甚至因無法矯正而導致整個結構的報廢。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，使船體結構強度降低。焊接殘余應力對焊接結構的脆斷、應力腐蝕開裂、失穩(wěn)等都有很大的影響，危害性很大。本文對焊接變形與應力產(chǎn)生的原因和影響因素進行分析，并結合實踐著重介紹一些應對措施和矯正辦法，希望能對實船建造有所幫助。         2 影響焊接變形與應力的主要因素          產(chǎn)生焊接變形與應力的最本質(zhì)的因素是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力的根本原因。         2.1 與熱變形有關的因素         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，形成的熱變形也不相同。一般來說，自動焊、co2氣體保護焊變形小些。        

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。          與熱變形有關的因素還有施焊方法和材料的熱物理

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

7、         3.1 剛性固定法          這種方法簡單易行，在船舶建造中廣泛應用。例如分段上船臺合攏時，在定位后常使用馬板進行固定，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到防止焊接殘余變形的一種積極辦

8、法。其關鍵是在實踐中積累和掌握變形的規(guī)律和變形的大小。          （1） 例如，某13000噸化學品/油船，一開始在運用埋弧自動焊進行平板對接時常發(fā)生變形如圖1。查明原因后采用反變形法進行糾正，效果顯著，如圖2。        （2） 雙層底分段沿長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，當分段長度l8m時，可不預作反變形； 

9、;         當分段長度l=812m時，則作反變形值y=2/1000×lx；          當分段長度l>12m時，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）之間的距離。          例如

10、，某720teu集裝箱船，分段長度為10m，于是作胎架反變形值8mm，在長度方向的收縮余量用加大每檔肋骨間距1mm來解決。分段建造完工后經(jīng)外形數(shù)據(jù)測量，結果正常。          （3） 在船臺合攏中，船體經(jīng)焊接以后引起收縮變形，往往產(chǎn)生總長縮短以及二端上翹現(xiàn)象。          實船建造中，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噸系列油船在船臺合攏時考慮了首尾上翹因素，并借鑒了之前建造同類型船舶的實測數(shù)據(jù)，采用的反變形值最大處達50mm，效果很好，最后主尺度和船底撓度測量值精度很高，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)生的焊接殘余應力與變形盡量不影響或少影響后期焊接的殘余應力與變形。對于比較復雜的焊接結構，在進行裝配焊接時，可以將其分成幾個簡單的部件進行分別組裝焊接，然后

12、再進行總裝焊接。這樣可以避免某些組裝件的焊接殘余應力與變形帶到總體結構上去。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際應用。          合理安排焊接順序是船體結構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力的主要措施之一。如果考慮不周，會造成結構中局部應力集中或應力過大，導致船體結構和焊縫脆性斷裂，同時也易使船體結構產(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） 先焊接對其他焊縫不起拘束的焊縫。          （3） 在構架和板接縫相交的情況下，既有對接縫也有角接縫時應先焊接對接縫，然后再焊角接縫。       

14、;   （4） 當分段、總段焊接時，盡可能由雙數(shù)焊工從分段中部逐漸向左右、前后對稱地施焊，以保證結構件收縮均勻。          （5） 大合攏時，焊接應采用對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件，應先焊大接頭的對接焊縫，再焊其他構件的對接縫，最后焊其他構件的角焊縫。    &#

15、160;    3.3.2 船體構架的焊接順序         在船體構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），此外還有少量的對接頭（如平對接縫、立對接縫和橫對接縫）。船體構架焊縫的焊接順序是先對接縫，后角接縫。          對接縫的焊接順序是先平對接縫，再橫對接焊，最后立對接焊；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強度，同時也保證了焊縫的質(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、肋板與平臺上的型線號對準，用“馬”固定后安裝肘板，然后進行定位焊。為了防止框架變形，還應安裝臨時加強材。在裝配過程中，若發(fā)現(xiàn)肋骨、橫梁線型不符合時，不宜強制成型，需待校正后再裝配，否則會使整個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力的一個重要措施。          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焊法，或采用高效的co2焊等。         3.5 焊前預熱      

19、    預熱的目的是使焊接區(qū)與局部結構之間的溫差減小，從而降低溫度分布不均勻性，使冷卻速度減慢，降低焊接收縮應力，也使產(chǎn)生裂紋傾向變小。         4 焊接殘余變形和應力的矯正消除法         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骨材吊裝接口邊緣的變形進行火工校正，減少火工加熱次數(shù)。          （2） 在校正施工中要嚴格執(zhí)行規(guī)定的工作程序和選擇既定的火工參數(shù)，特別是要嚴格控制加熱溫度，不得隨意更改。        &#

21、160; （3） 絕對禁止使用鐵錘敲擊，必須錘擊時只能用木錘和塑料錘。          （4） 對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材兩側邊緣條形加熱火路距離構架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3次。         4.1.2 火焰矯正加熱方法          火焰矯正法矯正變形的關鍵是對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：彎曲變形應選擇在反向彎曲的一側；另外應選擇在變形的鼓凸之處，例如波浪變形應選擇在變形的高起部分。船廠采用火焰矯正的辦法來糾正板材波浪變形，針對不同結構和不同部位的波浪變形要選擇不同的加熱方法（主要有點狀加熱、線狀加熱、三角形加熱）（見表1）。

23、0;            4.1.3 火焰矯正法注意事項          （1） 先了解被矯正結構材料的性質(zhì)。實踐證明火焰矯正基本上對碳鋼與低合金鋼的性能沒有不利影響，可以放心地使用。但對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，具體操作時應引起重視。          （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 消除焊接殘余應力的方法         4.2.1 錘擊法          其特點是：每焊