某艇焊接变形控制的几点思考

李坤

摘要：某艇主船体结构采用较为特殊L907A钢板建造，具有板薄、主尺度较小特点，在实际建造管理过程中易产生大量的变形，本文就907A钢板建造小型艇时焊接变形控制进行分析探讨。

关键词：船用钢板;焊接;变形控制;焊接应力

中图分类号：U6                                            文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0119-02

1  概述

某艇根据快速机动和一定强度需求，为减轻结构重量，主船体结构大量采用材料较为特殊L907A钢板建造，板材厚度主要为4-6mm。由于该艇具有板薄，主尺度较小，艇体内部设备多，空间小，其重量重心需严格控制等特点。针对该艇4mm薄板和5-6mm偏薄板变形控制的工艺是本艇建造的关键工艺之一。

2  焊接变形原因

①建造钢板采用“开平板”，此类钢板有较高的内应力，因此结构不够稳定。钢板开平操作时，不同工艺参数对内应力分布有不同的影响，垂直长度的不同方向上发展出现不同承载能力的情况。因此在焊接的时候我们会有一个很大的焊接变形，很难通过调整改变。

②一般厚度不大于4mm的板材属于一类薄板，埋弧自动焊和手工电弧焊操作均比较困难，焊接质量控制要求高，制造过程中也极易产生不同变形。残余应力、焊接热应力和外力是造成焊接变形的主要原因，薄板对于这些变形因素很敏感。制造过程中的切割、装焊、火工矫正、翻转、运输、冲砂、涂装等工序内容都对板架的变形有一定的影响。

③本艇不仅结构较薄，而且纵向骨材间距仅200mm，焊缝距离近，焊接工作量大，使得结构受热变形大，给建造过程中的各工序的变形控制都提出了更高的要求。此外，甲板上用于固定装备的固定件较多，这些固定件的焊接会带来薄板的变形。合理地安排装配、焊接顺序，严格执行各环节的要求，有助于减少薄板结构的变形。通过制定科学合理的方法和手段，对建造过程中的分项环节和具体步骤进行管理控制，可以有效降低板的建造变形。

3  钢制薄板焊接变形控制措施

为控制艇体薄板的变形，可以从多个阶段控制，进而减少整体变形。

3.1 设计阶段的控制措施

①从焊接变形的原因出发，在设计阶段应控制焊接热应力。焊缝应减少使用T字接头，主要采用“+”字接头的对称布置焊接方式。通过合理选择板材规格，排布焊缝序列，减少焊缝数量。薄板的波浪变形主要是由其角焊缝横向收缩导致，通过公式计算，结合规范要求，获得焊脚最小值，通过减小焊脚高度以有效减少角变形。此外在上层建筑区域或者有结构防腐要求的情况下，应减少双面对称间断焊和双面连续焊，适当使用交错间断焊。

②在设计生产时，从严控制热加工，可以对变形进行有效控制。然而在焊接时，相应的变形是难以避免的，因而在设计阶段可以综合施工技术工艺研究情况、船体结构情况，在总装时通过增加焊接余量、提高焊接补偿量、富余铣边余量等方法，提高精度控制来减小焊接变形。对于上建内围壁可采取压折半圆槽形替代扶强材的形式，减少薄板结构的电焊火工矫正受热量，保证舱壁成形平直、美观。

③由于本艇薄板区域装件较多，在总体研发设计时应重点关注两个要点：1）电缆、油管和風管等贯穿件的型材不宜过大，管厚在不影响使用、达到强度需求尽量取较小数值，焊脚也选择较小数值;2）通风管、电缆架、装修板架等结构应焊在内部结构上，不应装焊在外板上，无法避免时可以通过加垫板进行处理。

3.2 存放阶段的变形控制措施

薄板存在自身刚度较小，在外界作用下变形明显的特点，故而应在薄板的贮存、搬运、预处理、切割、堆放等时期，需要尽量减少受力不均匀的情况发生，以免产生非必要的弯曲、变形。

①单张薄板在吊运中必须使用电磁吊，板材上不允许存在装焊吊码，不得通过吊码进行单点吊运，避免产生板材和构件因吊装产生不必要的变形;板材堆放时，不同规格的板材不得混杂堆放;堆放应当存放在平整的地面，地面不平需在底层铺设一层底板。

②型材的运输、贮存和预处理与薄板要求相似，型材可以使用多点吊运，严禁使用单钩吊，转运则采用托盘的形式。转运切割完成的零件板材，应当通过托盘转运，减少变形。

3.3 切割、下料阶段的变形控制

①厚度在6mm以下、宽度在3米以内的薄板经过钢材预处理和数控切割后，要使用九芯辊进行校平，对板材的内应力进行释放，然后吊装在铺有钢板的胎架上，防止钢板向下凹陷。

②板材切割时，应当选用小割嘴进行切割，同时对切割速度进行控制，以达到缩小边缘变形的效果。

③板材局部间隙超差的调整，应采用打磨或铲边的方式，禁止采用气割等热加工方式进行修正，以避免加热产生的卷边等变形。

④型材在下料和装焊前都必须采用冷作加工的方式矫直，如采用折板机、肋骨冷弯机等设备，不能将变形带入下道工序。

3.4 拼焊阶段的控制措施

①薄板的拼板装配，拼板须在专用的桁架基础平台上进行，平台平整、刚度良好，焊接前应清理焊接工作台面。拼板胎架控制在500mm，薄板拼板区域间距缩小为330mm，并对所有拼板胎架调校平整。拼板焊接前拼缝两端设置压铁，减少埋弧自动焊焊后变形。拼板的间隙应该保持在0～0.05cm，剖口边缘要整齐，不应有错边，上下错边应不大于板厚的1/3，对接焊缝拼板两端安装引弧及熄弧板。

②板材的对位适当利用磁铁拉马或者其他非焊接的方式，并将压铁或者厚板固定在焊缝的两边，工装距焊缝的距离应尽量靠近埋弧焊设备可行走操作的最小距离，以保证焊后板材的平直度。

③焊接变形与热输入成正比。控制变形需要对焊接热输入进行严格控制，应当采用偏细的焊丝，按焊接规程选择焊接参数，焊接材料应与母材匹配，并严格执行焊接工艺。焊后可用木锤或橡胶锤对焊接板缝进行锤击，大板需在九芯辊上进行矫正，使焊缝得以释放焊接内部应力，消除内应力和角变形。

④拼板开孔较多的薄板拼板，既不好吊装，也不好采用九芯辊矫平，可以将拼板放置于基础平台上，采用专用工装在拼板上辊压，进行应力消除而达到矫正变形的目的。

3.5 装焊阶段的控制措施

①装配定位焊质量应满足正常焊缝质量要求，拼板定位完成后，前对嘴及中间用压铁固定，板材两侧用直角马板固定，间隔保证在20mm左右整个焊接过程使用压铁固定，实现线型吻合，控制焊接变形。

②安装构件时，安装定位的顺序应从中间向四周进行，先安装纵向的构件，再安装横向构件，充分利用工装件对构件和组件进行组装，不得使用“门架”进行强制装焊;构件和板缝的焊接应严格遵守焊接技术规格表中的要求，将焊脚高度控制在一定范围内能有效控制板架变形。

③片体小组立制造区域，来料扶强材直线度不得超过3mm，超出标准的需要用顶床校直;焊前需控制扶强材与板架的装配缝隙，壁板四周采取卡马、压铁进行固定;焊接工作面积大且扶强材长的结构，焊接时应由中央向前后、左右方向进行，采用分段退焊法，围绕中心采取跳焊法，不得將焊接点集中在一个区域;焊接时采用双数焊工对称焊接，严格控制施工人数，一般不可超过6人。

④底部肋板安装人孔加强圈，可制作简易工装平台，平台按肋板上的结构位置开槽，使肋板与工装平台敷贴，长排杆压制固定后，进行加强筋和加强圈的焊接，焊接完待肋板冷却，再拆除固定，辅以火工校直，保证肋板组合件的平整度。

⑤建造分段的胎架基座应当能提供足够的刚性支撑，并采取固定措施，使胎架不处于自由状态，纵向模板与横向模板间距应小于等于80cm;横向与纵向模板高为25cm左右，厚度应大于1cm，以避免胎架板变形。

⑥胎架制作过程中，为保证甲板、旁板、外底板、内底板制作焊后的平整度，在胎架四周增设围板，在强结构位置增设胎架模板，固定上胎板与胎架模板，保证上胎板与胎架敷贴，减少上胎板周界的皱褶变形和焊后整体变形。

3.6 热加工过程的变形控制措施

①在板架焊接中出现的起伏波浪产生变形，应先加热凹面两侧的骨架背部区域，待矫正接近平整时，采用“长条形”或其他的方法加热凸起的骨架背面之间进行修正;板格中的凹凸变形，先以较低的温度对在骨架背面进行加热，可采用“单线”或“双线”的方法，再在凹凸变形的交界处进行加热，加热方法可采用“十字形”、“短条形”、“长条形”或“中短直形”加热等方法。建议采用条状加热方法，相对于点状加热有更快的速度和更高的效率，且点状矫正容易矫僵板材，所以不建议采用。

②板架边缘的失稳变形，先通过“长条形”加热法纠正靠近变形部位的一段骨架处的“瘦马”变形和起伏波浪变形，再利用“三角形”加热法纠正板架自由边缘的失稳发生变形;拼板对接缝的起折变形，先用短条形加热法，纠正纵向弯曲，再用长条形加热法，加热焊缝两边纠正起折的变形。

③纠正的操作应自下而上的进行，避免出现由于加热引起的总体结构变形的局面。变形处于几幅比邻并列的状态时，纠正应间隔一幅进行，通过比邻板幅的收缩而减小间隔幅内的变形挠度，可以加速板面的纠正。

3.7 翻身、运输过程的控制措施

①经过预制成形的壁板和甲板，运输应放置在“门”字形专用托架上，避免转运时因挤压等原因产生不同变形。

②拼板长度4m以上壁板翻身吊装必须使用吊环，吊环应该安装在加强筋、肋骨或扶墙材上，也可在生产设计时将型材加长做吊环。

③为减少围壁板的翻身次数，减少发生变形，围壁以非结构面为拼板面进行拼接，单面自动焊焊接工作完成后翻身到结构面进行焊接，然后进行结构划线，在焊缝部位适当放置焊接收缩补偿量，构件生产装配焊接后检查壁板的变形发展情况，需要的话进行火工矫正。

④对于大型的薄板片体或分段，整体结构薄弱，其在进行翻转的时候中会发生变形，为避免薄板分段在翻转过程中的扭曲，需设计专用的翻身工装。

3.8 合拢、搭载阶段的控制措施

①风道壁板和甲板段在合拢口的绑材应当在合拢后再进行全面拆除，避免在翻转吊运时造成自由变形，剩下的绑材应当在结构焊接完成及焊缝合拢后方可移除。

②对于合拢口余量及坡口修割等调整，应当采用轨道式等离子切割机进行切割，无法使用轨道切割的，可使用靠模切割。

③装配外板合拢缝时，装配马脚应当固定在内表面。组件装配尽量采用拉、压和顶等方式进行冷加工，合拢缝及结构焊接完成后拆除临时加固的附件。

④合拢船体应采用单墩、多点和分散式结构支撑，保证船体的受力均匀，以避免地面凹凸等因素造成扭曲变形。

通过严格控制现场各阶段、各环节，采用合理焊接方法和控制措施，本艇焊接变形可以得到明显改善，也减少了大量火工作业量，确保了本型产品的外观和质量。

参考文献：

[1]付荣柏.焊接变形的控制与矫正[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]李树立，李占文.焊接结构变形控制与矫正[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]汪建华，威新海，钟晓敏.焊接结构三维热变形的有限元模拟[J].上海交通大学学报，1994，28（6）：59-65.