影响船体焊接结构件残余应力的因素及消除分析

程若玲 邢一鸣

摘要：焊接技术是船舶制造行业的主要生产技术之一，在生产船舶时每一道工序都需要应用该技术。基于此，本文着眼于船舶生产环节应用的焊接结构件，对其使用情况进行了简要分析，还阐述了船体焊接结构件的残余应力影响因素，并论述了消除焊接结构件残余应力的方法，希望能为相关工作人员带来参考。

关键词：船舶制造;焊接结构件;焊接技术;残余应力

0前言

船体焊接结构件是建造船舶的重要工具，但是在其使用环节却极容易出现残余应力，这将会对焊接工作的开展质量和船体结构稳定性产生深刻影响。为此，相关工作人员应该在实践作业环节深入研究船体焊接结构件的残余应力影響原因，并基于其成因和影响因素找到解决这一问题的方法，为提高船舶生产质量奠定基础。

1船体焊接情况概述

从本质上来说，船舶属于大型焊接结构，制造船体时需要使用大量焊接结构件，它们的主要由焊接接头构成，在每一道工序之中都能得到广泛应用。对于船舶结构焊接工作人员而言，可选用焊接工艺、焊接控制技术、焊接材料是保障工作有效性的关键。目前，在船体焊接结构件的应用过程中，常常出现残余应力问题，这一问题严重影响了船体焊接结构件的使用性能，导致其强度以及韧性下降，加剧了船体生产的质量风险[1]。在实践中，因船体焊接结构件残余应力而导致的焊接结构裂缝或断裂问题并不少见。

2残余应力成因和影响因素

2.1  焊接结构残余应力成因

在船舶制造环节，船体结构焊接工作的开展需要经历标准流程，而最为重要的开展方式就是金属局部加热。在应用这种方法时，焊接结构件将出现温度分布不均问题，焊缝的周边区域和金属都将经历热循环，在热胀冷缩的作用下金属会呈现强约束状态，最终会引发船舶焊接结构出现残余应力。目前，船体焊接结构件的残余应力主要有两种类型：

（1）     因自平衡而产生的残余应力。在生产环节，船体焊接结构件的内部区域众多，当出现区域间自平衡时会产生残余应力。在实践中，大部分的船体焊接结构件残余应力都源自于此。而且，当出现焊接接头加热过度不均或弹塑性变形时，十分容易产生残余应力。

（2）     因缺陷而产生的残余应力。船体结构由多个焊接件组合而成，而在其焊接过程中极容易出现参数不合理问题。比如，焊接结构件尺寸不规范，装配尺寸不融洽。这种不合理，会严重影响装配工作质量和精度，因此类型缺陷而产生的残余应力也会为船体焊接工作的正常开展带来挑战。

2.2  影响因素

虽然，在上文中我们对船体焊接结构的残余应力成因进行了阐述，但是残余应力并非只受到上述两种因素的影响，在实际作业环节，船体焊接结构残余应力的影响具有多样性的特征。

2.2.1      温度影响因素

在船体结构当中，不同区域的焊接温度要求不同，这也就使得焊接工作的开展存在温度差异性。而这种差异性会导致船体焊接结构因热度分布不均而出现膨胀量差异。金属受热会出现膨胀，但在其冷却以后将对膨胀部分进行约束，进而使其呈现热胀冷缩的状态，但当二者无法同步进行时，焊接结构就会出现变形，还会产生残余应力。

2.2.2      刚性影响因素

船体焊接结构的刚性可以有效约束结构的自由膨胀能力，这种约束性将会引发结构接头变形或使其内部产生应力。在实践中，焊接结构的刚性大小与残余应力的产生几率和大小息息相关。大部分情况下，船体由高强度钢焊接而成，整体结构刚性大，其产生的焊接残余应力也相对较大。

2.2.3      尺寸影响因素

实际上，焊接结构的残余应力有三种类型，分别为横向残余应力、纵向残余应力和板厚方向残余应力。这三种残余应力的产生和分布都与焊接结构的尺寸息息相关，所以在实践中尺寸也是不容忽视的焊接结构残余应力影响因素。

3船体焊接结构件残余应力的消除方法

3.1  优化设计和工艺

科学的设计方案以及施工工艺是消除船体焊接结构件残余应力的有效方法。在这一环节，相关工作人员应该合理选用焊接型材和焊接方法[2]。比如，优先选用较薄的型材，以T形接头代替十字接头，应用刚性小的接头形式等。在设计和施工环节，还应尽量避免出现多结构复杂连接，并保证焊缝布置合理。

3.2  理顺焊接程序

在实践中，基于CO2保护焊，并保证优先焊接的焊缝不能对其他焊缝产生刚性约束。焊接时，应基于中间、左右和中间、收尾的顺序作业，并由下至上开展对称焊接。在船体焊接结构件应用环节，施工人员需要优先完成收缩量大的焊缝焊接工作。

3.3  合理选用方法

除了对焊接设计方案和工作流程加以优化，相关工作人员还应该根据实际需要选择有效的残余应力消除方法：

（1）     温差拉伸法。此方法常用于高精度船舶制造工作，也可被应用在荷载大的船体焊接结构当中。在实践中，温差拉伸法可以用在船体分段制造装配阶段。焊接人员需要以氧- 乙炔焰加热焊缝两侧，并同步完成喷水冷却，进而达到消除残余应力的目的。

（2）     机械拉伸法。这种方法适用于压力容器类构件，应基于焊接方向加载，使得焊接区存在高拉伸残余应力，并让周边出现拉伸塑性变形，那么在卸载以后焊接区的拉伸残余应力将会被消除。此时，相关工作人员可以基于△σ=σ0-（σs-σ1）计算残余应力消除量，其中以△σ表示结构残余应力消除量，σ0表示外加应力，以σs表示材料屈服应力，以σ1表示接头拉伸参与应力。

4结论

在船舶制造行业当中焊接结构件存在残余应力的情况并不少见，其产生原因和影响因素较为多样，可以对船舶制造质量产生深刻影响。为了能消除残余应力，相关工作人员应该在实践中保障设计合理性、焊接科学性，并选用合理的残余应力消除方法。

参考文献：

[1]   赵健.影响船体焊接结构件残余应力的因素及消除方法研究[J].无线互联科技，2020，17（01）：139-140.

[2]   王小博，张旭东，李昊丞.去应力退火对焊接结构件残余应力与力学性能的影响与分析[J].航天制造技术，2019（05）：29-32.

作者简介：

程若玲（1992年 12月），女，上海人，本科，助理工程师，船舶与海洋工程方向.