船体结构焊接变形控制方法

摘 要：变形是船体结构焊接过程中常见的一种质量通病,若不采取有效的处理,对船体后续的焊接及装配工作的影响较大.本文通过介绍船体结构的特点、焊接变形的原因和影响因素,重点分析了船体结构焊接变形的控制方法,并提出一些有效的措施,以供实践参考.

关 键 词：船体；结构特点；焊接变形；控制方法

中图分类号：U671文献标识码：A

随着社会经济建设步伐的加快,我国逐渐成为世界造船大国之一.在船舶建造过程中,许多新技术、新工艺得到广泛的应用,船舶现代化程度在得到不断提高的同时,对船舶建造的整体质量也提出了更高的要求.但船舶的船体结构具有一定的特殊性,它在热传导过程中其结构内部会产生不均匀的温度分布,导致船体结构在焊接过程中出现变形的现象,若技术人员不采取有效的措施进行处理,会造成尺寸偏差、结构失稳和强度降低等后果,这不仅在一定程度上耽误了后续焊接及装配工作的进度,而且也会影响到船舶的整体质量安全,甚至造成不可换回的损失.因此,船舶建造人员必须重视船体结构在焊接过程中出现的变形现象,最大限度确保船体结构焊接的质量.

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

（1）结构设计.船体结构设计过程中是否能够依照结构焊接变形现象采取有效的控制和应对方法,对于焊接变形的控制有极大作用.通常在船体结构变形设计时采取的控制变形方法有：选择合理的施工工艺,按照船体结构特点选择合适的工艺；将船体进行分段,分散焊接变形力度；焊缝时尽量选择短的焊缝；选用能够减少焊接次数的结构类型等.

（2）变形提前预测.由于船体结构焊接变形是一个不可避免的现象,所以基于这种特点,为了在变形出现时能够合理应对,可以在焊接前进行变形预测,然后根据预测结构制定相对应的变形处理方法.常见的变形预测方法有等效载荷法、实验法以及数值分析法几种.（3）施工工艺的合理运用.实际焊接过程中施工工艺运用需要注意的问题：

1）合理应用反变形法.反变形法就是在提前预测结构变形后制定出的一个与焊接变形方向相反的反变形值.这种方法的作用是减少和消除船体分段变形幅度.

2）开展船体装配时,尽可能在无装配应力强制背景下进行.

3）选择高效焊工艺,且焊接时多控制减少双面焊接和受热面积以及焊接次数.

4）科学应用刚性固定法.尽管这种方法需要耗尽较多材料、增加施工成本,但是其控制变形效率明显,在船体结构焊接中应用更是能够有效控制结构变形.因此,若能够多加使用该方法,那么将可以有效避免变形矫正施工,且同样具有控制工期的功能.

5）科学控制焊接参数.尽可能使用诸如CO2气体保护焊这种较小热输入的方法.

6）合理控制装配焊接顺序.实践经验表明,如果进行焊接时能够采取先中间后两端、先内里后外表、短结构先行长结构后行的方式,那么焊接部位将能够很好的完成受热,整个结构会受热均匀,有力控制变形.所以,为了控制船体结构焊接变形,应按照这种顺利进行施工.

6船体焊接变形的矫正方法

通常而言,为了减少船体结构的变形,在进行船体结构建造时均会通过做好结构设计和施工方法合理选择的方式来避免和控制焊接变形.但尽管采取这些控制措施,变相还是会存在,主要是由于船体结构建造工艺本身就具有复杂性特点,加上焊接过程也非常容易受到各种主客观因素的影响,所以这种焊接变形可以说是一种势必会存在的,无法避免的现象.处理这一问题的方法就是在变形出现后进行进一步的矫正,使其形状尽可能最靠近原始状态.一般使用矫正工艺是主要是针对焊接构建的局部变形而言,比较弯曲或者波浪变形,但是对船体的整体变形则一般难以起到很好矫正作用.目前最常见的变形方法主要有火焰矫正法和机械矫正法两种.

（1）火焰矫正法.该方法的作用原理是在对变形结构的金属进行火焰加热,这些加热部位冷却后就会出现一种压缩塑性变形,这种变形是一种不可逆的变形类型,如此就能够实现矫正变形的目的.但是,需要注意的是火焰矫正法是直接对准构件加热,且一般均会消耗材料的塑性,所以对于一些脆性比较差的材料而言,这种矫正方法还是慎用为好.另外,在进行火焰集中加热过程中,必须要非常注意控制加热温度,尽可能保持温度在一个适中的位置,避免温度过高或者过低影响机械性能和无法实现矫正目的.

（2）机械矫正法.所谓的机械矫正法就是通过外部机械用力施压与变形结构,使结构恢复原态的一种矫正方正.这种矫正方式相对于火焰矫正法而言具有不会消耗材料塑性的特点.但是,同样由于该方法会造成金属的冷作硬化,影响金属的塑性.所以,一般情况下不能在塑性比较差的材料中使用.这种矫正方法一般使用的机械设备主要有定床、大型油压机等比较大力的机械设备.

结语

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.