船舶在建造过程中焊接变形的形成及控制

张玉永

(新世纪造船有限公司，江苏 靖江 214500)

船舶在建造过程中焊接变形的形成及控制

张玉永

(新世纪造船有限公司，江苏 靖江 214500)

在船舶建造过程中，大量构件的焊接变形不利于船体分段建造精度的控制，从而影响船舶建造的质量。通过分析船体构件焊接变形产生的原因及影响因素，并考虑船舶构件建造过程中各阶段的特点，总结出船舶建造不同阶段减小船舶变形的结构设计措施和建造工艺措施，从而达到满足船舶强度及使用性的要求。

船舶建造;焊接变形;建造质量;精度控制

0 引言

焊接变形是指在焊接过程中，由于焊接热源和焊接热循环的作用以及外界温度的影响，使得焊接部位或构件受热不均匀从而导致冷却时的收缩量和收缩速度不同产生的变形。船舶焊接变形是影响船舶质量的主要因素，其对焊接接头的性能有着较大的影响，使船体构件的强度、韧性下降。此外，焊接变形不利于分段的精度控制，从而最终影响到船体精度和船舶的建造质量。通常船舶焊接变形按对船舶构件的影响可分为整体焊接变形和局部焊接变形2种。

1 船体焊接构件变形产生的主要原因

船体构件主要是由冷、热轧钢、型钢及它们的成形件装焊而成。从结构件制造工艺来看，造成变形的主要原因为焊接热应力、残余应力和外力。

1.1 焊接热应力

焊接热应力是在焊接过程中，由于金属材料的加热和冷却的不均匀而产生的。焊接时，加热的热源是移动的高温电弧，焊缝和热影响区金属温度很高，金属受热膨胀，但又受到常温金属的阻碍和抑制，便产生了压缩塑性变形。焊接件的变形程度与施焊时的焊接热输入量(线能量)成正比。

1.2 残余应力

残余应力主要有焊接残余应力和加工残余应力。焊件在焊接结束后，焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受到常温金属的刚性固定，便形成了焊接残余应力。成形加工残余应力主要是由于工件受工艺性外力而引起的，如工件的自由弯曲成形不得法，钢板矫平辗压次数少都能引起加工残余应力。

1.3 外力

工件在组装、焊接过程中由磕、碰、摔、撞或过载引起的异常变形。

2 分析影响焊接变形的因素

物件在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。在焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外，焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。

焊接变形是热应变、塑性应变以及相变综合影响的结果。由于焊接结构中产生焊接变形是个很复杂的问题，所以只从船体建造工艺角度分析影响焊接变形的一些主要因素。

2.1 焊接收缩变形

焊件尺寸比焊前收缩的现象称为收缩变形，它可分为横向收缩变形和纵向收缩变形。

(1)纵向收缩变形:沿焊缝轴线方向尺寸的缩短即为纵向收缩变形。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生的纵向的压缩塑性变形。纵向收缩量取决于焊缝长度、焊件的截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率等。焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩越小。焊缝的长度越长，纵向收缩量就越大。

(2)横向收缩变形:沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。对接焊缝的收缩变形与对接缝的坡口形式、对接间隙、焊接线能量、钢板的厚度和焊缝的截面积等因素有关。坡口大，对接间隙大，焊缝截面积大，焊接线能量也大，变形也相应增大，如图1所示。

图1 V型坡口和X型坡口的横向收缩近似公式

2.2 角变形

中厚板对接焊、堆焊及“T”型接头焊接时，都可能产生角变形。角变形产生的原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。焊缝接头形式不同，其角变形的特点也不同。角变形的大小与焊接线能量、板厚等因素有关。当线能量一定时，板厚越大，厚度方向温差越大，角变形也相应增加。当板厚达到一定程度时，此时构件的刚性增加，抵抗变形的能力增强，角变形反而减少。当板厚一定时，线能量增大，压缩塑性变形量增加，角变形也相应增加。

2.3 波浪变形

构件在焊接过后呈波浪形。焊后存在于平板中的内应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力的作用下，薄板可能失稳，产生波浪变形，使一些承受压力的薄板结构的承载能力下降。

2.4 船体总体变形

船体变形主要包括总体变形(中拱、中垂)，构件局部变形、总尺寸缩短、船体扭曲等。船体结构由纵横构件和壳板组成，若把板架结构当成一个整体来研究，通常其中和轴(X-X)均偏近于壳板。板架结构焊接后，构架与壳板的焊接使得纵向构架和横向构架产生纵横向收缩，其收缩力的合力对中和轴产生的力矩，使板架结构产生中拱或中垂弯曲变形。

2.5 总尺寸缩短

构件焊接时，受热部分的金属在受热膨胀并在随之而来的冷却收缩过程中，形成不可逆转的塑性变形，产生焊缝周围的长度收缩。因而在船体焊接后，导致其总尺寸减小，通常在10 m长度范围内的收缩量达10～20 mm左右。

3 减少焊接变形的措施

通过焊接应力与焊接变形的分析，可以知道焊接结构产生应力不可避免，只能在掌握焊接变形的影响因素之后，积极采取相关措施减少焊接变形。

3.1 结构设计方面

船体结构设计上除了要满足船舶的强度和使用性能外，还必须满足船舶建造过程中焊接变形最小及耗费劳动工时最低要求和焊材的消耗最少。若能充分注意焊接特点进行船舶设计，则可大大减少焊接变形。

(1)采用船体分段建造法，可以大大减少船台的工作量，同时使船体总焊接变形得到控制。

(2)焊缝应尽量保持对称性或者靠近结构的中心线，防止弯曲变形。

(3)尽可能减少焊缝数量。

(4)在装配时，采用简单装配焊接胎架卡。

(5)在保证结构强度的前提下，减少焊缝截面积尺寸，以减少收缩变形。

3.2 建造工艺方面

在施工工艺方面应做到:

(1)在无装配应力强制下进行船体装配。

(2)采用自动焊代替手工焊。

(3)合理选择焊接工艺参数及焊接顺序，尽可能使用小线能量焊接。

预留收缩余量、刚性固定法和反变形法是控制焊接变形的基本方法。

分段制造中设置余量是生产中为了弥补焊后尺寸的收缩，预先考虑加放收缩余量，其大小可根据经验公式近似估计。船体总尺寸的收缩变形通常用加放焊接收缩量来弥补。根据经验，纵向每档肋距加放1 mm的焊接收缩量，横向每档加放0.5 mm的焊接收缩量，这样可较好地抵消总尺寸的缩短。

对于船体的中拱或中垂变形，必须在胎架上施放反变形量，每档肋距为1 mm左右。反变形的设计能较好地抵消船体的变形。

以上2种措施，实质是船舶建造中的变形补偿控制设计，它包括了船体的弯曲反变形和尺寸变形2个方面的补偿设计，也是当今船舶建造中船厂常用且效果明显的补偿控制。在焊接工艺方面尽可能合理运用刚性固定法和反变形法。

刚性固定法是船舶制造施工中常用的一种控制 或者胎架上，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时，再去掉刚性固定。这时焊接构件产生的变形将大大小于在自由状态下焊接的变形。船体装配焊接中广泛使用各种形式的刚性固定法，如临时加强筋、临时电焊加强角铁、分段四周固定定位焊、船体分段和胎架螺栓连接、各种直线或弧线的拉马等。

反变形法即船体装配焊接前，预先给船体分段或构件一个反变形值，其大小应等于或者大于船体分段焊后变形，但方向相反，用于抵消结构焊接后产生的变形。利用此法可使船体分段变形消除或者减少到最小。如放样时预防反变形量，装配时加放焊缝收缩余量等都属于反变形范畴。

3.3 水火矫正

尽管在施工过程中采取了以上措施，但要想完全消除焊接中的变形是不可能的。所以最后一道工序就是对变形尚需控制在某一公差范围内的部位，及时指派经验丰富的技工来进行火工矫正。否则，变形的方法，是将构件固定在具有足够刚性的平台将达不到预期效果。

但是火工矫正也不宜多用，因为它会使船体钢材的金属组织发生变化，使其理化性能受到损害，即使涂装以后，该处也易剥蚀。

4 结语

综上所述，在船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取积极的方法减少和控制焊接变形，从而达到既满足船舶强度要求和使用性能，又满足经济性的要求。本文所述控制方法值得在现代造船领域中得以推广、运用。

［1］ 叶家玮.现代造船技术概论［M］.广州:华南理工大学出版社，2001.

［2］ 陈冰泉.船舶及海洋工程结构焊接［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 黄浩.船体建造工艺手册(修订本)［M］.北京:国防工业出版社，1989.

TG457

A

2013-03-26

张玉永(1974-)，男，工程师，长期从事船舶工程相关工作。