影响船体焊接结构件残余应力的因素及消除方法研究

赵健

摘   要：船体结构焊接残余应力可导致船体焊接结构件性能的下降以及船体制造精度难以控制，对船舶建造质量有着较大影响。鉴于船体结构具有较复杂的形状和较大的尺寸，船体焊接残余应力的处理不易采取措施。文章基于船舶焊接残余应力形成原因的阐述，分析了船舶焊接残余应力的影响因素，并提出了根据船体构件不同阶段装焊特性，采取针对性的控制措施，旨在最大程度上减少或消除焊接残余应力。

关键词：船体构件;焊接残余应力;形成原因;影响因素;应力消除

船舶作为一种大型焊接结构，其建造中的各个工序均有焊接结构件的大量应用，而焊接结构件的主要构成部分是焊接接头，其内部残余应力的存在严重影响接头的性能，降低船体构件的韧性和强度，并且可能导致焊接结构裂缝甚至断裂。因此，采取有效控制措施降低或消除焊接残余应力对增加船体构件整体稳定性，确保船舶建造质量具有重要的现实意义。

1    船舶焊接残余应力的形成原因

在焊接船舶金属结构过程中，通常采取金属局部加热方式，致使焊接时构件温度分布不均衡，焊缝、焊缝周边区域以及近缝区的金属都会经历一个热循环过程：加热→融化→冷却、凝固，而金属的热胀冷缩在焊接时处于强约束状态中，从而造成船体结构金属产生极具复杂性的残余应力和变形[1]。

焊接残余应力基本上分成两种：（1）因结构件内部产生不同区域间自平衡的残余应力。（2）在船舶整体结构中，由于强行装配尺寸不融洽的各个部件以及在控制结构装配精度方面的缺陷而产生的残余应力。前者产生的焊接结构件残余应力极为普遍，应作为研究重点。此类残余应力的产生，与焊接接头部位极不均匀加热以及弹塑性变形紧密相关。

2    船舶焊接残余应力的影响因素分析

2.1  焊接时极不均匀的温度分布

在焊接过程中，焊接区域不同的部位，其温度也会有所差异，温度分布的不均匀会产生不同的膨胀量。而冷却时，周围金属将约束膨胀部分的收缩，致使热胀冷缩无法同步，进而产生残余应力和变形。

2.2  焊接结构的刚性大小

焊接结构自身的刚性对加热（冷却）时的自由膨胀（收缩）存在约束性，以致焊接接头中形成应力与变形，而焊接结构的限制条件、力学性能与其刚性的大小密切联系。当前，船体用结构钢大多采用高强度钢，加之大量的封闭焊缝存在于船体板壳结构中，因此结构的刚性较大，极易形成较大的焊接残余应力[2]。

2.3  焊接结构的尺寸

焊接殘余应力在实际焊接结构中是极具复杂性的三向应力，分别为：（1）横向残余应力。主要作用于焊缝及其周边区域，横向残余应力的分布同焊接顺序、焊接方向紧密相关。（2）纵向残余应力。其分布特性为焊缝及其周边区域、两侧分别受拉伸应力和压缩应力。由于装焊船体外板的结构具有较大的尺寸，因此会有较大的纵向残余应力。（3）板厚方向的残余应力。板厚增大的情况下，大量的焊缝构成焊接接头，而后焊的单道焊缝受到先焊的单道焊缝的限制作用，导致在板厚的不同部位上，横向残余应力和纵向残余应力的值有所差异，进而形成沿板厚方向的复杂分布。

船舶焊接残余应力的影响因素诸多，除上述几方面以外，结构中焊缝的位置、焊接方向以及焊接速度等均会对焊接残余应力产生严重的影响，而焊接残余应力的存在不但造成船体焊接结构件性能下降，难以保证船舶建造质量，甚至会导致船舶使用过程中突发脆性断裂。为此，在船体构件装焊过程中，最大程度上降低或消除残余应力是需要解决的一个重要问题。

3    消除船体结构焊接残余应力的方法探究

鉴于船体建造过程相对复杂，需根据不同阶段装焊特点采取针对性的措施进行处理，以实现残余应力的减少或消除。而从造船经济、周期等角度考虑，对所有船体焊接构件残余应力进行消除不太现实，通常而言：（1）结构存在应力腐蚀危险。（2）结构对刚度、尺寸精度有较高的要求。（3）焊接后结构具有较多的加工量。（4）厚截面复杂结构在工作、安装和运输时有遇到低温的可能性，出现脆性断裂危险[3]。（5）压力容器厚度超过一定限度。上述几种情况下的船体焊接构件残余应力的消除应特别注重，具体的船舶焊接残余应力的控制与消除方法包括以下几方面。

3.1  改进船舶设计、施工工艺，降低焊接残余应力

船舶设计方面降低焊接残余应力的方法包括：（1）尽量采用T形接头、平板替代十字接头、弧形板，尽可能使用厚度较小的型材，避免多结构复杂连接，加强筋若设计，无明确要求则少用，同时辅助焊缝尺寸最好采用与设计要求相一致的最小尺寸，采用具有较小刚性的接头形式。（2）最大限度缩减焊缝尺寸及其数量，将焊缝分散化，避免焊缝集中。（3）拉应力的残余应力区域内防止出现未熔合、未焊透等几何不连续性的情况。（4）焊缝的布置最好不要设置在应力集中或极易产生变形的区域。施工工艺方面尽可能地保证均匀的温度分布，采取的措施包括焊接方向、顺序合理，分散残余应力;通过局部加热法、反变形法使局部刚度下降。

3.2  采用合理的焊接程序，减少焊接残余应力

焊接工艺选用CO2气体保护焊，焊接程序需坚持的原则是优先焊接不会对其他焊缝形成刚性约束的焊缝。合理的焊接程序为纵横构架间的焊缝焊接→采取由内到外的方式焊接船体外板、甲板的对接焊缝→构架、船体外板、甲板的连续角的焊缝焊接。船体焊接所有焊缝以由中至左右，从船中至首尾，从下向上进行对称焊接[4]。焊接船体各个构件时，优先焊接具有较大收缩量的焊缝;低温环境下，先将接缝预热烘干后再进行焊接，倘若多层焊接无法一次完成，需要通过保温缓冷的方式来降低焊接残余应力。

3.3  消除焊接残余应力

3.3.1  温差拉伸法

温差拉伸法主要应用于对建造精度有较高要求或受载荷较大的结构。在船体分段制造阶段、总段装配阶段局部采用温差拉伸法：焊缝两侧均使用一个宽度适宜的氧-乙炔焰加热，同时距离焰炬后方特定处喷水冷却。操作者需做到喷水管与焰炬同步进行，以较好的消除焊接残余应力。

3.3.2  机械拉伸法

压力容器类构件应用此法较为合适。沿焊接方向对焊接结构加载（施加拉伸荷载），拉伸焊接压缩塑性变形区，焊接区会有高拉伸残余应力，其周边将产生拉伸塑性变形，焊接区拉伸残余应力在卸载后得以消除。所加载荷的大小决定了残余应力的消除量△σ，对足够宽板的对接接头，△σ能够根据下式计算：△σ=σ0-（σs-σ1），σ0，σs，σ1分别为外加应力、材料屈服应力以及接头的拉伸残余应力。

3.3.3  热处理法

热处理法通过对焊件局部（整体）进行焊后热处理，从而最大限度地消除焊接残余应力，主要应用在船体建造部件装焊阶段，是一种有效且常用的方法[5]。但船体构件热处理产生的譬如可能改变船用高强度钢的组织结构，影响并恶化其性能等一些负面影响也需要注意。此外，作为一种非热处理法，脉冲磁处理法可应用于船体建造的各阶段，能够有效消除焊接残余应力。

4    结语

综上所述，船体构件装焊过程中产生的焊接残余应力对船舶建造质量及其使用性能造成的影响不可小觑，分析船舶焊接残余应力形成原因及其影响因素，从而针对船体不同建造阶段采取能够提高焊接质量的改良方法，从而最大限度地减少甚至消除焊接残余应力，增加整个船体构件的可靠性，保证船舶建造质量。

[参考文献]

[1]苏智敏，薛丹丹.浅谈船舶焊接残余应力的形成与控制[J].工程技术（全文版），2016（21）：319-320.

[2]韦智元.船体构件切焊连续加工中的残余应力问题研究[D].大連：大连理工大学，2017.

[3]赵晶，刘洋，刘海涛，等.浅析如何有效控制钢结构的焊接变形及应力[J].中国设备工程，2019（12）：159-160.

[4]兰福贵，张晶，耿冬海.浅谈控制船体焊接变形的方法[J].中国科技博览，2015（25）：310.

[5]高立峰，李志国，罗梦佳，等.焊接残余应力的模拟和控制消除的相关问题研究[J].内燃机与配件，2019（6）：117-118.

Abstract：The residual stress in the hull structure welding can lead to the decline of the performance of hull welded structural parts and make it difficult to control the hull manufacturing accuracy， which has a great impact on the shipbuilding quality. The complicated shape and large size of the hull structure make it difficult to deal with residual stress. This paper based on the description of the reason of the residual stress， the affections of the residual stress in the hull structure caused by welding were analyzed， and the targeted control measures were proposed， according to the welding characteristics of hull structure at different stages， aiming at minimizing or releasing the residual stress.

Key words：hull structure; welding residual stress; cause of formation; affections; stress releasing