内河船舶焊接变形的控制与矫正

汤忠泉

（如东县地方海事处，江苏南通 226400）

内河船舶焊接变形的控制与矫正

汤忠泉

（如东县地方海事处，江苏南通 226400）

文章以内河船舶为例针对生产过程中所遇到的各种焊接变形问题，分别从控制和矫正两方面来讨论减少变形的方法，具有一定的参考价值。

船舶；焊接变形：变形控制；矫正

0 引言

现代造船工艺中，焊接工艺在整个工作流程中占了相当大的一部分。提高船体的焊接质量，对于船体的建造、船舶安全航行、正常营运等有着十分重要的意义。[1]焊接的质量不仅影响了船体的外观型线的光顺，而且还会影响船舶结构强度，进而会影响到船舶的安全。焊接变形不仅会影响到船体型线和船舶阻力，还会给船体机械、推进装置以及操舵装置的安装带来困难，甚至无法达到安全要求。而焊接质量在船舶建造过程中，其质量是最重要并且最难以控制的一个部分。船体是一种典型的板架焊接结构，现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，焊接的质量和生产效率直接影响到船体的建造周期、成本和使用性能。[2]对于壳比较薄的船体来说，焊接变形对船体的影响更大。[3，4]为了更好地控制焊接变形，本文从焊接变形原因和焊接变形控制方法两方面来分析如何减少焊接变形。

1 焊接变形产生的原因

焊接是通过高温高热将两块构件的结合部快速融化并融合成一起的工艺过程。由于该过程速热速冷，通过热胀冷缩，焊接过程和成型后会产生焊接变形。冷却时，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行，膨胀和收缩变形均受到约束而产生塑性变形。因此焊接变形可以分为在焊接过程中发生热变形和在室温条件下的残余变形。[5]而造成焊接变形的原因主要有材料、结构与工艺等三个方面。

1.1 材料因素的影响

焊接的变形不仅和材料本身的属性有关，还和材料本身的物理性能、机械性能有关。而热物理性能对焊接变形的影响主要体现在热导率上，一般情况下，热导率越小，温度梯度越大，材料的焊接变形就越显著。材料的机械性能同样也会对焊接变形产生影响，其中材料受热膨胀而产生的变形最为明显。一般来讲，热膨胀系数越大，焊接材料的变形量也就会越大。高温时，材料的屈服极限和弹性模量也会对焊接变形产生影响，弹性模量越大焊接变形也就会越小，而对于较高的屈服极限，所产生的残余应力也就会越大。焊接结构中的变形能量也就会越大，从而导致脆性裂变。脆性应变较大，从而导致塑性应变较小，因此所导致的焊接变形也就会减少。不同材料的物理性能和机械性能都不相同，因此焊接产生的变形也会不尽相同。

1.2 结构因素的影响

结构的布置同样也对焊接变形的影响也非常的关键。一般来讲，结构的约束越多，对于变形的抑制力也就越强，因此由于焊接而产生的变形也就越小。一般复杂结构本身的约束力在焊接过程中处于主导地位，而结构本身的约束情况会随着结构复杂性的增加而变化。在焊接结构的设计中，经常需要利用肋骨或加强板，以提高结构的稳定性和刚性，在结构设计时，对板厚、加强筋和肋板的位置以及约束进行优化对于减小变形有着十分重要的作用。总体来讲，结构因素包括三个方面：焊缝数量和断面大小，焊缝数量越多，结构变量越多，所产生的焊接变形越多；焊缝接头形式，例如对接焊和角接焊所产生的变形就不尽相同；构件的尺寸和形状，尺寸和形状与构件的刚性有关。

1.3 工艺因素的影响

焊接方法、焊接电流、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等都会对焊接变形产生一定的影响。对比各种焊接工艺，焊接顺序多焊接变形影响最为显著，在长期的工作实践中，总结出了一整套焊接工艺规范以减少焊接的残余应力和变形，焊接工艺对焊接变形的影响主要包括以下五个方面。

（1）焊接参数。焊接参数即为焊接所产生的能量，不同的焊接方式，所产生的焊接能量不同，进而导致热量不一致，从而使焊接产生的变形不尽相同。

（2）施焊方法。不同的施焊方法，所产生的温度不一样，所以形成的变形也不尽相同。

（3）焊接工艺方法。不同的焊接工艺，所产生的温度场也不尽相同，形成的热变形也不相同，如自动焊比手工焊变形小，CO2气体保护焊变形小，更适合于薄板结构的焊接。

（4）胎夹具的应用。夹具一般用于固定、增加焊接材料的刚度，从而达到减少焊接变形的目的。

（5）装配焊接程序。装备过程对焊接变形也起到一定的作用，一般来讲，约束大焊接变形较小，而约束小则焊接变形相对来说较大。

2 船体焊接变形的种类

船体结构的焊接变形是由各种基本变形组合而成，一般来讲是由整体变形和局部变形叠加而成。焊接以后整个结构的尺寸或形状发生的变化即为整体变形，如图1所示。整体变形主要包括总体尺寸的缩短和变形弯曲（例如中拱、中垂和扭转变形）等两个方面。而焊接以后局部所产生的小范围变形（如角变形和波浪变形等）为局部变形。

图1 焊接所产生的各种变形

3 控制船体焊接变形的原则与方法

焊接变形和焊接刚性组成是对焊接残余变形影响的两个主要因素，因此，焊接残余变形是不可避免的，完全消除焊接变形也是不现实的。只有在设计船体结构和建造的时候，采取具体有效的措施来控制和减少焊接残余变形。船体的设计除了要满足结构的强度和性能以外，还必须保证最低的焊接变形和最少的劳动消耗。焊接工艺是船体施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺除了能够有效地减少焊接变形还能减少应力集中。在船体结构在设计过程中考虑焊接工艺特点，不仅能减少残余变形，增加船舶强度还能提高船舶的使用性能。

为了减少焊接变形，在船体结构方面采取了各种有效措施以减少船体结构焊接的变形，例如船体结构分段建造，即是将变形控制在各个分段和部件上。并且对于每条主焊缝，选择尽可能小的焊角和短焊缝。船体焊缝的布置与船体分段截面中性轴对称，以避免过度扭曲的焊接和弯曲；在焊接工艺中，一般采用焊前预防的方法控制船体结构的焊接变形。焊前预防方法一般包括预防变形、预拉伸法、刚性固定组装法等三种。

（1）预变性法是在焊接以前，首先预测变形的大小和方向，根据预测的变形在焊接以前造成与焊接残余变形相反的变形。焊接完成后，焊接产生的变形抵消掉原始变形，使结构达到焊接要求的形状和尺寸。

（2）欲拉伸法多用于薄片状的平面构件。一般情况下，薄板应在有欲张力或热膨胀的情况下进行，焊接以前通过预热处理能够有效地降低板的残余应力，减小焊接变形。预热能够使钢板变热，减少焊接时的温度梯度。温度梯度减少了，焊接变形所产生的焊接残余应力减少，从而达到减少焊接变形的作用。

（3）刚性固定法是采用模具或夹具将焊接构件进行固定，该方法能有效地减少焊接所产生的局部变形。

4 船体焊接变形的矫正

在船体建造时采用了各种方法进行了船体结构的焊接变形的控制，但整体上来讲，船体是复杂的板架结构，很难完全控制船体结构的焊接变形。一般来讲就要求对所产生的变形进行矫正。焊接变形的矫正多用于焊接构件所产生的局部变形，其矫正方法主要有火焰矫正法及机械矫正法两种。

4.1 火焰矫正法

火焰矫正是通过对金属构件进行连续不断的加热，根据热胀冷缩的原理，冷却以后，这部分的焊接金属产生了不可逆的塑性变形，从而使焊接变形的构件进行矫正。火攻矫正只适用于一部分塑性材料，对于塑性差和脆性的材料来说，火工矫正的方法通常是不适用的。为了提高工作效率，船厂多使用喷水的方式使材料进行冷却。根据加热部件来分，火工矫正通常分为整体热矫正法及局部热矫正法两类。整体热矫正法是将整个构件直接加热到锻造温度以上，然后再对整体构件进行矫正。该方法能矫正大的变形偏差但容易引起冶金副作用，因此该方法难以进一步继续推广。局部热矫正法是采用火焰对构件局部进行加热，由于在高温下，材料局部受热膨胀，受到材料自身的限制，局部发生小范围变形，该方法抵消了焊接后的部位变形，从而达到矫正的目的。

4.2 机械矫正法

机械矫正法是通过物理方法，在常温的条件下，通过拉压以矫正焊接结构的变形，减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的。由于机械矫正容易是材料冷作脆化，因此采用机械方式对焊接变形进行矫正仅限于塑性较好的材料。

5 结束语

船舶在建造过程中的焊接变形是不可避免的，但是可以根据实际情况，采取各种合理有效的措施，对焊接变形进行有效的控制和减少，从而使船体焊接变形满足相应的强度和使用性能的要求。

[1]陈楚，船体焊接变形[M].北京:国防工业出版社,1985.

[2]曾平.船舶材料与焊接[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006.

[3]张子睿.船体火工高级工培训教程[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007.

[4]金鹏华.船体冷加工[M].北京:国防工业出版社,2008.

[5]黄镇.船体火工[M].北京:国防工业出版社,2008.

Control and Rectification of the Inland Ship’s Welding Deformation

TANG Zhong-quan
(Local Marine Department,Rudong County,Nantong 226400,China)

Taking the inland ship as a case of study,this article,in combination with the problems in welding deformation arising from the process of production,studies the methods to reduce deformation from the angles of control and rectification,which is of certain reference value.

Ship;Welding deformation;Deformation control;Rectification

U671.84

A

1671-9891（2014）03-0039-03

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.011

2014-05-20

汤忠泉（1958—），男，江苏如东人，如东县地方海事处工程师。