陳元迪

(廣州航海學(xué)院 船舶工程系， 廣東 廣州 510725)

基于焊接工藝的船舶構(gòu)件焊接變形分析與控制

陳元迪

(廣州航海學(xué)院 船舶工程系， 廣東 廣州 510725)

船體大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形將直接影響船舶制造的質(zhì)量和精度。對(duì)船體大型結(jié)構(gòu)件焊接變形產(chǎn)生的各種原因以及影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的焊接特點(diǎn)選擇合理的焊接工藝措施和參數(shù)以減小焊接變形，從而提高船舶制造的質(zhì)量和精度。

焊接工藝 焊接變形 分析與控制

1 前言

船舶制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中加工量最大的工程就是整個(gè)船體構(gòu)件的焊接，因此焊接質(zhì)量直接影響著整個(gè)船舶的質(zhì)量。在焊接加工過(guò)程中，不僅焊接接頭的質(zhì)量直接影響著船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和工作性能，焊接變形同樣也是影響船舶制造精度和質(zhì)量的重要因素。船舶結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減小和防止焊接變形不能只采用單項(xiàng)措施，應(yīng)該對(duì)焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素進(jìn)行綜合分析，根據(jù)船舶焊接過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理采用焊接方法，調(diào)整焊接參數(shù)及合理地安排焊接工藝，以達(dá)到降低焊接變形的目的。

2 焊接變形產(chǎn)生的機(jī)理分析

2.1 焊接變形的內(nèi)部因素

現(xiàn)代電弧焊是一個(gè)點(diǎn)狀的、不均勻的加熱和冷卻熱循環(huán)過(guò)程，加熱時(shí)被焊金屬受熱中心區(qū)的溫度通常在1 500°C以上。以中心區(qū)向四周擴(kuò)散，形成了一個(gè)溫度場(chǎng)，離中心區(qū)越遠(yuǎn)溫度就越低直至室溫。以低碳鋼的力學(xué)性能與溫度的關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)，低碳鋼的塑形隨溫度升高而升高，但強(qiáng)度卻隨溫度升高而下降，當(dāng)溫度大于650°C時(shí)，其屈服強(qiáng)度下降到接近0[1]。如圖1所示，這時(shí)金屬受到力的作用就很易產(chǎn)生永久性的塑形變形，這個(gè)力主要來(lái)自焊接應(yīng)力及外力兩個(gè)方面。

圖1 低碳鋼力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

圖2 XOY面的焊接溫度場(chǎng)分布及等溫線

圖2是焊接溫度場(chǎng)分布圖。焊接過(guò)程中加熱時(shí)，近焊縫區(qū)的金屬溫度升高至1 000℃以上，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱膨脹，但遠(yuǎn)離焊縫的金屬仍是很低甚至是常溫，熱膨脹量很小甚至并不膨脹，形成了整個(gè)焊件上近縫區(qū)的高溫金屬熱膨脹受到了低溫部分金屬的阻礙和抑制，結(jié)果產(chǎn)生了塑形壓縮變形，當(dāng)焊接結(jié)束時(shí)，焊件上高溫區(qū)被塑形壓縮的部分無(wú)法再回復(fù)到原來(lái)的尺寸——縮短了，這就形成了焊接變形?？梢?jiàn)焊接變形是由電弧焊的不均勻加熱和冷卻特點(diǎn)，以及金屬材料的熱脹冷縮規(guī)律和力學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律所決定的，只要采用了電弧焊，則焊接變形就一定會(huì)產(chǎn)生，但變形量的大小是受諸多加工因素所影響的，合理地調(diào)整焊接加工過(guò)程中的各個(gè)工藝參數(shù)和工藝流程，對(duì)變形量的減小和控制十分重要和有效。

2.2 焊接變形的外部因素

焊接變形量的大小受到焊接加工過(guò)程中的各種工藝流程和參數(shù)的影響，是一個(gè)十分復(fù)雜的形成過(guò)程。焊接變形量的大小與焊接時(shí)熱源的輸入線能量成正比，不同的焊接方法對(duì)焊接變形量的大小有著明顯的差異。比如焊接熱源比較集中的、熱能量密度高的焊接方法焊接變形量就會(huì)小一些。不同的焊接結(jié)構(gòu)和不同的焊縫分布對(duì)焊接變形量的大小影響也十分明顯，不同的裝配和焊接順序也對(duì)焊接變形有著很大的影響。

3 船舶大型構(gòu)件的焊接變形種類

3.1 整體變形

縱向收縮變形：焊接后焊件沿焊縫長(zhǎng)度方向上尺寸的收縮，這是大型板件主要的變形之一，其收縮量隨焊縫長(zhǎng)度增加而增加。同時(shí)與焊件的截面積、輸入熱能量、焊接方法及工藝參數(shù)等都有密切關(guān)系。

橫向收縮變形： 焊接后沿垂直焊縫軸線方向的尺寸收縮，產(chǎn)生橫向收縮變形的過(guò)程比縱向收縮變形的過(guò)程要復(fù)雜得多，最主要還是輸入熱能量、裝配間隙和接頭形式等。裝配間隙增大時(shí)焊接的輸入熱能量勢(shì)必增大，易導(dǎo)致橫向收縮量增大，板厚增大、坡口角度增大，且會(huì)使橫向收縮增大。但同樣的焊縫尺寸，板厚增大后其剛性隨之增大，但焊接橫向收縮反而減小。

彎曲變形：焊縫中性線與焊件結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對(duì)稱時(shí)，焊縫的收縮沿焊件寬度分布不均勻而引起變形，縱向和橫向收縮都會(huì)引起彎曲變形，特別是T型和I型長(zhǎng)型焊件，最容易焊后發(fā)生彎曲變形，其繞曲度與焊縫長(zhǎng)度的平方成正比。船舶結(jié)構(gòu)都是大型構(gòu)件，焊縫較長(zhǎng)，很多構(gòu)件的局部就是T型結(jié)構(gòu)焊件，如各類桁材、肋板結(jié)構(gòu)的焊縫，都易產(chǎn)生焊件的彎曲變形。

3.2 局部變形

角變形：這是最易產(chǎn)生的局部變形，由焊縫橫向收縮在板厚度方向上分布不均勻所導(dǎo)致，在焊接較厚的板材時(shí)較易產(chǎn)生。角變形的大小通常與坡口形式、焊接層數(shù)、焊接方法等有關(guān)，比如采用單V型坡口焊時(shí)，其底部第一層焊時(shí)的熱輸入能量相對(duì)較小，底層變形小，沿厚度往上一層層焊時(shí)，坡口寬度在增加熱輸入能量加大，且是在同一位置重復(fù)加熱，焊縫沿厚度上的橫向收縮很不均勻，導(dǎo)致了明顯的角變形，如果采用X型坡口就有利減小角變形量，同樣多層焊時(shí)，層數(shù)越多角變形量就越大[2]。

波浪變形：這種變形主要發(fā)生在板厚度較小(6 mm～8 mm以下)的情況，由于此時(shí)的焊件剛度較小，在縱向和橫向收縮壓應(yīng)力作用下，較薄的焊件產(chǎn)生了失穩(wěn)變形。船體甲板、船艙壁分段和大型油罐的底部等大型平板結(jié)構(gòu)件的拼接對(duì)焊時(shí)容易產(chǎn)生波浪變形。在焊較薄的大型板件時(shí)，應(yīng)盡量減低焊接殘余壓應(yīng)力，另外可采用加強(qiáng)筋板等結(jié)構(gòu)提高被焊件的剛性，從而減少波浪變形。

4 焊接變形的控制

通過(guò)上述分析可知，焊接過(guò)程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性是焊接變形最主要的兩個(gè)因素。可見(jiàn)焊接變形要完全消失是不可能的，只能在船舶焊接構(gòu)件的設(shè)計(jì)和焊接過(guò)程中的各個(gè)施工工藝上采取措施加以控制，以減小變形。

4.1 焊接前的控制

在焊接構(gòu)件設(shè)計(jì)和焊縫分布設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮如何減少焊接變形，盡量使焊縫分布是以整個(gè)焊件的中性軸對(duì)稱，這樣可減少焊件的繞曲變形。

采用將船體進(jìn)行分段制造的設(shè)計(jì)方法，把船體分為若干小部件和若干分段后，分散了焊接變形量，便于船體變形的控制與矯正。

現(xiàn)代船舶的制造越來(lái)越多的采用高強(qiáng)度鋼板(特別是軍用艦船)，保證整體構(gòu)件的強(qiáng)度和承載能力的情況下，可明顯減少鋼板的厚度，從而減輕船舶的自身重量，然而焊接加工時(shí)面臨的突出問(wèn)題使得焊接變形更具復(fù)雜性和多樣性，在焊接變形的控制上較為困難，在設(shè)計(jì)這類焊接構(gòu)件時(shí)可考慮合理設(shè)置加強(qiáng)筋板以增加板件的剛度。

在焊件切割下料時(shí)盡量選擇熱能量集中、強(qiáng)度高的方法，如等離子切割或激光切割，它們對(duì)鋼板切割后邊緣的變形比氧—乙炔切割小很多，同時(shí)切割邊緣也光整得多。在焊縫拼接時(shí)接縫間隙尺寸在保證焊透的情況下應(yīng)盡量小，以減小焊接變形量。

焊接前采用定位焊對(duì)焊件進(jìn)行定位點(diǎn)焊，可增強(qiáng)焊件的剛性，減少焊件變形，焊接時(shí)應(yīng)采用3.5 mm左右的細(xì)焊條進(jìn)行點(diǎn)固焊。

采用剛性固定法也是減小焊接變形最常用的方法，在船體焊接時(shí)采用胎夾具、胎架螺栓連接等把待焊分段船體固定在有足夠剛性的平臺(tái)或胎架上再進(jìn)行焊接。在船體裝配焊接時(shí)可采用臨時(shí)加強(qiáng)筋板、臨時(shí)點(diǎn)焊加強(qiáng)角鐵、分段四周定位焊等方法。

船體裝配焊接前，給各分段構(gòu)件預(yù)留反變形量，當(dāng)裝配焊接時(shí)產(chǎn)生的變形正好與原來(lái)的反變形抵消，可有效減小焊接變形量。

4.2 焊接過(guò)程中的控制

(1) 焊接方法的合理選擇。合適的焊接方法能有效減小焊接變形量，船舶焊接常用方法有埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、手弧焊等，盡量首選CO2氣體保護(hù)焊，因?yàn)闅怏w保護(hù)焊時(shí)，電弧的能量更集中，電弧密度更大，挺度更好，電弧直徑更為收縮，熔深大，在焊接時(shí)可以采用更快的焊接速度，在其它參數(shù)不變時(shí)，輸入的線能量可相對(duì)較小，則焊接變形量也減小。其次是埋弧自動(dòng)焊，它可以使用比手弧焊大數(shù)倍的電流進(jìn)行焊接，熔深大，由于輸入同樣大的熱能量時(shí)，可以使用更快的焊接速度，因此焊接變形量也比較小，相比較手工電弧焊的焊接變形量較大。

(2) 焊接工藝參數(shù)的合理選擇。

① 在保證焊透的情況下，盡量采用快的焊接速度，或者適當(dāng)減小焊接電流。這都能減小焊接輸入熱能量，從而減小焊接變形。

② 在保證足夠的熔寬的情況下，盡量壓低電弧，減小電弧電壓，因?yàn)殡娀‰妷涸龈呤沟秒娀」β始哟?，焊接輸入熱能量增大，?huì)使焊接變形增大。

③ 在中厚板件焊接時(shí)采用單道次大輸入熱能量一次焊透的方法，其焊接變形量通常比多層多道焊時(shí)大，由于采用多層多道焊接，每一層焊接時(shí)可選用較小的電流和適當(dāng)快的焊接速度，這樣每層焊接時(shí)熱輸入能量都比較小，產(chǎn)生的焊接橫向和縱向變形量也較小。當(dāng)然，這樣焊接生產(chǎn)效率會(huì)下降，同時(shí)角變形量會(huì)增大。一般在強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼材焊接時(shí)(如優(yōu)質(zhì)低碳鋼吉低合金結(jié)構(gòu)鋼等，屈服強(qiáng)度小于300 MPa)，大多數(shù)造船廠都會(huì)采用單面焊雙面成型的焊接工藝焊接10～15 mm厚的鋼板，這樣生產(chǎn)率較高。這時(shí)可采用剛性固定法對(duì)焊件固定后再焊，能大大減小焊接變形。由于鋼材的強(qiáng)度較低，塑性較好，因此這樣焊接后的焊件焊接殘余應(yīng)力也較小，完全在許用范圍內(nèi)。

④ 焊接中厚度板材時(shí)，單面開(kāi)V型坡口的焊接變形量會(huì)比雙面開(kāi)雙V形坡口大，特別是角變形量大，因此在條件許可情況下盡量采用雙V形坡口，雙面焊能把焊接變形減小到最小。

(3) 合理的裝焊程序。在大型結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，都是由很多塊板拼接而成，分成多個(gè)部件及多個(gè)分段件進(jìn)行焊接，最后再進(jìn)行總裝，這對(duì)焊接順序的要求更高。

① 船體大型構(gòu)件都應(yīng)先進(jìn)行小件組焊，分段組焊，總體裝配后再焊，裝配時(shí)采用點(diǎn)固焊時(shí)的點(diǎn)距要合理，這樣可有效地降低焊后變形量[3]。

② 從拼接焊件的中間部位開(kāi)始逐漸向四周焊接，盡量采用雙人雙工位對(duì)稱的形式焊接。

③ 先焊較短但收縮量較大的橫向焊縫，然后再焊較長(zhǎng)的縱向焊縫。

④ 在焊件上同時(shí)存在對(duì)接焊縫和角焊縫時(shí)，先焊對(duì)接焊縫，后焊角焊縫。

⑤ 船體構(gòu)件的焊接通常都是長(zhǎng)焊縫，采用連續(xù)直通焊看似效率高，但這樣會(huì)使輸入熱能量持續(xù)作用在焊縫區(qū)域，形成熱輸入能量的疊加效應(yīng)，焊接變形量大?？刹捎梅侄魏负透淖兒附臃较虻姆椒ǎ苓m當(dāng)減小焊接變形或使之相互抵消，如1 m以上的長(zhǎng)焊縫可采用分段退焊、跳焊和交叉焊等方法。每段的焊縫長(zhǎng)度在100～300 mm為宜。

5 焊接變形的矯正

船舶制造是個(gè)大型構(gòu)件的加工過(guò)程，特別是要大量采用焊接加工技術(shù)，雖然船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和焊接加工過(guò)程中都會(huì)采取各種措施來(lái)控制焊接變形的產(chǎn)生，但是由于電弧焊的焊接過(guò)程特點(diǎn)和船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及施工工藝的復(fù)雜性，通常產(chǎn)生焊接變形是不可避免的，對(duì)于變形量超出設(shè)計(jì)要求的變形部件和區(qū)域就必須采取矯正。

當(dāng)然，這里的矯正只能針對(duì)焊件的局部變形，如角變形、彎曲變形、較薄板件的失穩(wěn)波浪變形等。而對(duì)于整個(gè)焊件的整體變形，如縱向和橫向收縮變形是不能矯正的，這種變形只能通過(guò)在下料和裝配時(shí)預(yù)留收縮余量來(lái)補(bǔ)償，以及在焊接加工過(guò)程中所采取的的各種方法來(lái)盡量減小變形量。局部矯正變形的方法通常有兩種：機(jī)械矯正法和火焰矯正法。

5.1 機(jī)械矯正法

利用機(jī)械外力使焊接件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑形反變形，以抵消原來(lái)的焊接殘余變形。在船舶這樣的大型焊接構(gòu)件中很難采用這種方法來(lái)矯正焊接變形，通常對(duì)一些板厚較薄變性不大的局部可采用錘擊法來(lái)延展焊縫及其周邊的焊件金屬，以減小焊接殘余變形，但這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大。

5.2 火焰矯正法

在焊件的選定位置處按一定尺寸和方向用火焰進(jìn)行加熱，使該部位的金屬熱膨脹產(chǎn)生塑形變形，在冷卻后產(chǎn)生收縮變形，最終達(dá)到調(diào)整焊件的焊接形狀。一般采用氣焊焊炬加熱。

火焰矯正的效果好壞，取決于加熱部位、加熱范圍和加熱形狀?；鹧娉C正前，應(yīng)該了解變形焊件的鋼材材質(zhì)，一般塑性好強(qiáng)度等級(jí)不高的低碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼等，其可焊性都很好，采用火焰校正后材質(zhì)性能變化不大。一般采用氧—乙炔焰的中性焰進(jìn)行加熱。加熱溫度范圍一般分為：低溫矯正500 ℃～600 ℃，中溫矯正600 ℃～700 ℃，這兩個(gè)溫度加熱后的冷卻一般都可采用水冷法，高溫矯正700 ℃～800 ℃，加熱后冷卻應(yīng)采用空冷法。

需注意的是，加熱溫度不宜過(guò)高，這樣容易產(chǎn)生金屬的脆變組織。實(shí)踐證明，一般的船舶用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)鋼的火焰矯正最佳溫度在450～550°C，矯正過(guò)程中不會(huì)影響原鋼材的組織性能[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

焊接變形是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，有材料內(nèi)部的本質(zhì)因素，有加工過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)和加工環(huán)節(jié)的影響因素，常常十多個(gè)因素綜合作用后產(chǎn)生了焊接變形。要減小焊接變形量就要從材料的基本物理性能、內(nèi)部組織、材料的切割下料、焊接方法的選用、焊接規(guī)范的確定，以及焊接工藝過(guò)程的合理性等各個(gè)方面綜合考慮，在每個(gè)環(huán)節(jié)上都盡量減小焊接變形的產(chǎn)生。

同時(shí)還應(yīng)不斷探索出新的焊接方法和工藝措施，以進(jìn)一步減小焊接變形的產(chǎn)生。比如在一些大型薄板件的焊接時(shí)，焊接變形就更為復(fù)雜，其中的失穩(wěn)變形尤為突出，近年來(lái)大家都在廣泛采用一些新的工藝措施，如預(yù)置溫差拉伸法、等效降低熱輸入法，采用各類冷卻夾具、焊縫兩側(cè)預(yù)先沉積吸熱物質(zhì)、隨焊激冷法及高能束焊接法等方法[3]。

[1] 葉琦.焊接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 李占文，李樹(shù)立.焊接結(jié)構(gòu)變形控制與矯正[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[3] 王長(zhǎng)生，薜小懷，樓松年等.薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術(shù)，2005,34(4)：66-68.

[4] 周岐，王亞君.焊接工藝與操作技巧叢書：焊接應(yīng)力、變形的控制工藝與操作技巧[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[5] 劉志剛.船舶焊接變形的控制與矯正[J].船海工程，2002，1：19-20.

[6] 王建勛，初冠南，于昌利等.船舶與海洋工程中的焊接變形預(yù)測(cè)方法研究[J].船舶工程，2011，S2：1-4.

Analysis and Control of Ship Structural Member Welding Deformation Based on Welding Process

CHEN Yuan-di

(Shipbuilding Engineering, Guangzhou Maritime Institute， Guangzhou Guangdong 510725, China)

The quality and precision of shipbuilding will be affected for welding deformation of ship structural member. Through analysis on the reasons and affecting of causing ship-hull welding deformation. The reasonable process measures and parameters were selected for decreasing welding deformation and improving the quality and precision of shipbuilding.

Welding Process Welding deformation Analysis and Control

陳元迪(1957-)，男，副教授。

U671

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