船体结构焊接变形的控制与矫正

张宁园 等

摘要：船舶建造过程中的变形是一种常见现象，主要是由于船体结构在焊接后产生的局部和整体变形所导致。如不及时采取有效措施，会造成尺寸偏差、结构失稳、强度降低等后果，给下一阶段的焊接和装配工作带来很大困难，不仅导致工期延长，甚至无法达到规范要求。因此，研究焊接变形产生的原因，采取正确的控制措施，合理地对变形进行矫正，对缩短船舶建造周期，提高船舶建造质量具有重要意义。

关键词：火工矫正 控制 变形 船体结构

1 概述

随着世界造船业的不断发展，船舶现代化程度越来越高，在船舶的建造过程中，新技术、新工艺不断得到应用，我国已经成为世界造船大国之一。船体本身是特殊的，其外形是个空间曲面，在船舶建造和修理过程中为了修正其结构的变形，船体主要是由焊接的钢结构构成，船厂通常采用火工矫正的工艺方法。

2 船体结构变形原因及形式

船舶建造过程中的变形是一种常见现象，主要是由于船体结构在焊接后产生的局部和整体变形所导致。产生焊接变形最基本和最本质的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件，在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形。

船体变形可大致分为：发生于焊接结构某部位的构件局部变形，除此之外，还有体变形，即整个结构形状和尺寸发生了变化。

3 焊接变形的预防与控制

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。

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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4 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。

4.1 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。

4.2 火工矫正的主要方法

4.2.1 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。4.3 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矯正办法，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。

4.4 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℃。

5 结束语

综上所述，船舶建造过程中，变形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，从而既满足船舶强度和使用性能，又满足经济性要求。

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