某船3 mm铝合金甲板焊接变形控制工艺

陈军 李华平 肖圣亮 霍利武 尧孝君

摘    要：铝合金材料导热快、熔点低、焊接变形大，特别是薄板焊接变形更是难于控制。某船舷侧区域的甲板为3mm的薄板，在首制船制作中，按常规的工艺方法焊接变形大，火工矫正后仍产生明显的下凹变形。在后续船建造中，通过梳理整个工艺流程，分别从拼板、装配方法、增加加强、调整舾装件安装时机、局部仰焊变形控制、火工矫正方法等工艺措施进行了优化，取得较好的效果。

关键词：铝合金；3mm甲板；薄板；变形控制；工艺优化

中图分类号：U672                                   文献标识码：A

3 mm Aluminum Alloy Deck Welding Deformation

Control Process of a Ship

CHEN Jun，  LI Huaping，  XIAO Shengliang，  HUO Liwu，  YAO Xiaojun

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： Aluminum alloy materials have fast thermal conductivity， low melting point， welding thermal deformation and big shrinkage. Especially， it is more difficult to control the deformation when welding the thin plates. In the manufacture of the first ship， the deck in side area is made of 3 mm thin plate. According to the conventional process， the 3 mm deck has large deformation after welding， and there is still obvious concave deformation after the distortion correction by flame， and impossible to correct. In the construction of subsequent ships， the whole process flow is sorted out， and the process measures are optimized from splicing， assembling， strengthening， adjusting installation time of outfitting parts， local overhead welding deformation control and distortion correction by flame etc.

Key words： aluminum alloy;  3 mm deck;  thin plates; deformation control;  process optimization

1     前言

某船801分段舷侧结构，如图1所示：

（1） 甲板面为3 mm薄板，由8条纵横对接缝拼成8050 mm×4 555 mm的甲板，拼板焊接量大；

（2） 整体为锲形结构，中间高度为1 300 mm、外侧高度为420 mm，空间狭小，施工困难；

（3） 甲板区域安装有30块6 mm×100 mm×600 mm的座椅垫片。

801分段船台大合拢完工后，对下凹变形的3 mm甲板进行火工矫正，在甲板下方使用千斤顶把下凹变形顶起来，安装加强排并火工，但在甲板冷却拆除加强排后，甲板依然产生下凹变形，变形量为3～4 mm，变形较大不美观；在后续船制作时，梳理了首制船整个工艺流程，分析每个阶段影响甲板变形的因素，有针对性地提出和落实工艺优化措施，最终确保了甲板变形控制在2 mm范围内。

2     焊接变形情况

（1）801分段3 mm甲板面自动焊拼板后，出现波浪变形和在拼板焊缝相交处出现局部波浪变形；

（2）甲板片体脱胎翻身后，甲板出现较明显的凹凸变形和甲板自由端边（距边缘600 mm范围内）波浪变形较大；

（3）甲板片体组件中组结构装焊时，由于焊接应力的作用，3 mm甲板变形进一步加大；

（4）船台大合拢后进行舾装件安装，由于舷侧甲板处为登陆兵舱室，甲板下方要安装座椅的方形加强铝块，需进行大量的仰焊作业，整体出现3～4 mm的下凹变形，焊后进行火工矫正效果不明显，外观成型较差。

3     焊接变形原因分析

3.1   工艺流程

801分段舷侧制作流程为：甲板拼板→甲板上胎鋪板、码板安装焊接、螺旋拉马扭紧固定甲板→甲板划线、骨材壁板安装→结构焊接→火工定型、脱胎翻身、批补磨手尾工作→吊装分段整体胎架进行中组→分段结构安装和焊接→分段脱胎手尾工作、吊装上船台与101分段大合拢→船台舾装件安装与焊接→火工变形矫正。

3.2  变形原因分析

（1） 拼板阶段：801分段舷侧3 mm甲板全部采用压力架自动TIG焊焊接而成，压力架自动TIG焊焊接工艺技术成熟，具有焊缝质量好、拼板变形小的特点。3 mm甲板经拼板后出现波浪变形和焊缝相交处的起包变形，是由焊接应力集中造成的，在排除了焊接设备、焊接工艺的影响因素，通过追溯舷侧3 mm甲板的拼板顺序时，发现导致焊接应力集中的原因：舷侧甲板由7块板材拼焊而成，形成了纵横相交的焊缝，焊接顺序是先焊纵向焊缝，再焊横向焊缝，由于横向焊缝不是一条直线，而是错开200 mm距离形成两条横向焊缝，横向焊缝焊接时在错开的部位形成焊接应力集中，导致拼板后出现变形。图2为舷侧3 mm甲板的拼板顺序。

（2）铺板定位固定和骨材安装阶段：3 mm甲板上胎铺板定位后，在甲板下方安装码板，码板焊用螺旋拉马勾在码板上，通过扭紧螺旋拉马达到拉固甲板。由于甲板为3 mm的薄板，强度低，在局部焊接应力和螺旋拉马拉力的影响下，甲板在模板的空档位会产生局部的小变形，从而导致甲板与纵横骨材安装时出现离空。首制船是通过使用门型码和铁锲强力挤压骨材与甲板密合后再点焊固定，此工艺方法会在板格间产生较大的内应力，甲板片体脱胎后会加大甲板的变形；

（3）结构焊接阶段：3 mm甲板肋骨间距为800 mm，甲板端边无结构支撑。首制船3 mm甲板端边的加强排是在甲板片体翻身后再安装的，波浪变形明显；3 mm甲板处结构薄弱，在焊接应力的作用下，导致了甲板内部的凹凸变形；

（4）801分段中组装焊阶段：为了保证舷侧肋骨框架与底板板架、甲板板架的装配精度和安装间隙，舷侧肋骨框架先装焊在底板上，再吊装甲板片体与肋骨框架进行装配和仰角焊接。仰角焊技能水平要求高，且容易把3 mm的甲板熔穿，较大的电流会引起甲板产生角变形（见图3），同时由于结构薄弱，在焊接应力的作用下，舷侧肋骨间的甲板会进一步产生变形；

（5）船台舾装件安装阶段：3 mm甲板区域为登陆兵舱，需在甲板下方安装数量较多的座椅垫板。垫板为方形铝块（见图4），安装在两档纵骨间，四边与甲板全焊连接，由于是仰焊，加上舷侧空间狭小，容易焊穿甲板和引起较大的局部变形。

（6）火工变形矫正阶段：经过上述几个阶段的装焊， 3 mm甲板板架产生下凹变形，需进行火工矫正。首制船火工工艺如下：火工矫正前，先用加强排在下凹的板格上强力拉起来，即每档横向骨材间都安装加强排后再使用大号枪嘴进行火工矫正，火工冷卻后拆排，3 mm甲板板格依然产生明显的下凹变形。此火工工艺方法对于板厚较大的板格是有效的，但不适用于3mm的铝合金薄板：一是甲板上安装加强排再火工，不利于板格应力的释放，水火定型后由于3 mm板材强度较低，在应力的作用下会继续产生变形；二是大号枪嘴热量输出大，在3 mm甲板上需快速移动，否则容易烧穿甲板，不利于板格应力的释放。

通过上述分析可知， 3 mm薄板变形的主要原因是：拼板顺序不合理、强力装配引起较大的内应力、焊接加强不足、局部仰焊变形控制不好、座椅垫片船台安装需大量仰焊、火工矫正工艺不适用。

4     焊接变形控制工艺优化

针对引起3 mm薄板变形的主要因素，在后续船建造中，分别从拼板顺序调整、无码装配、增加假模板和端边加强、焊接热输入量控制、优化舾装件安装时机和连接节点、局部仰焊变形控制、调整火工矫正方法等工艺措施进行优化：

4.1   调整拼板顺序

针对首制船舷侧甲板的拼板顺序不合理，在横向错开部位形成应力集中，从而导致拼板变形的情况，后续船优化了拼板顺序（见图5），调整了横向焊缝的拼板时机，把两条横向焊缝错开处的纵向焊缝放在最后焊接，避免了拼板的应力集中，从而减少拼板的变形，变形量控制在0.5 mm范围内。

4.2    无码装配

在胎骨材安装过程，当骨材与3 mm甲板存在安装间隙时，不采用门型码和铁锲强力挤压的装配工艺方法，而是松开甲板下周边的螺旋拉码，顶升甲板，控制间隙在0.5 mm范围，点焊固定后再拉紧螺旋拉码。此工艺大大减少了挤压式装配产生内应力，同时也减少了门型码点焊和码脚批补磨作业引起的应力，有效地减少了由于骨材装配所产生的变形。

4.3    增加假模板和端边加强

针对3 mm甲板区域的结构薄弱的情况，在骨材焊接前，在每档横向结构间安装强力加强排，起到增加强度减少焊接变形的作用。考虑到甲板片体与底部中组阶段，横向肋骨框架与甲板的仰角焊会导致变形，此横向强力加强排要待分段所有焊接完工后方可拆除；为了防止3 mm甲板端边出现波浪变形，在骨材焊接前沿着甲板端边线型安装8x100 mm的加强排，待舷侧封板装焊完后方可拆除。

4.4  控制焊接热输入

褔尼斯脉冲MIG焊机具有双脉冲功能，其精确的高低双脉冲过渡形式有效控制熔池熔化冷却，实现立仰位焊枪直行不用摆动焊接，可以进一步降低焊接热输入量，减小焊接变形，方便狭小空间施工。为了尽量减少焊接热输入对3 mm甲板的影响，舷侧的纵横壁板的立角焊缝首次采用双脉冲功能焊接，焊后变形小，焊缝呈鱼鳞片成形美观，焊接变形小。

4.5   优化座椅垫片安装时机和连接节点

首制船3 mm薄板区域的座椅垫板是在船台阶段安装的，导致了大量的仰焊施工，加大了甲板的变形；后续船把座椅垫片安装时机调整到甲板片体在胎制作阶段，把仰焊变为平焊，同时改变座椅垫板的安装节点形式，垫板的纵向焊缝从与甲板焊接优化为与纵骨焊接（见图6），再加上胎架的刚性支撑，大大减少了座椅垫片焊接所带来的变形。

4.6   控制局部仰焊变形

在中组阶段，横向肋骨框架与3 mm甲板的仰角焊会引起甲板产生较明显的

下折变形，为此在甲板仰焊上方安装加强排支撑再焊接（见图7），大大减少了由于肋骨框架的仰焊所造成的甲板角变形，有利于甲板的变形控制。

4.7    调整火工矫正工艺

根据首制船3 mm甲板火工矫正的情况，在后续船进行了工艺优化：原来使用的大号枪嘴改为小号枪嘴，火工前甲板不需安装加强排把下凹变形强力拉起来，以便在对板格的纵横骨材背烧时释放应力，再通过对板格的下凹变形进行水火细打，把下凹变形拉起来，从而达到矫正的效果。此火工矫正工艺效果明显，能有效地矫正3 mm薄板的下凹变形，变形量控制在1～2 mm。

5    小结

通过上述有效措施，801舷侧3 mm甲板焊接变形最终控制在1～2 mm的较好范围内，美观性大幅提升，其优化措施可归结如下：

（1）控制拼板焊接变形：制定合理的焊接顺序，避免在焊缝相交处开始或停止焊接，减少因应力集中而出现较大变形；

（2）减少装配应力：装配前先矫正构件的变形，避免强力装配导致局部应力集中；

（3）增加焊接区域的刚性：识别构件刚性较弱的地方，如自由端、內部骨架较少处等，结合施工条件，增加临时加强排或模板支撑等；

（4）控制焊接热输入量：选用合适的高效焊接工艺方式，采用小电流焊接，降低焊接热量输入；

（5）优化节点形式：避免结构件在薄板上突然中断，造成在端边处应力集中，结构件应尽量相互连接起来；

（6）优化焊接时机：通过施工流程优化，把仰焊或立焊变为平焊接，更方便焊工焊接操作，从而更好控制焊脚尺寸，减少局部热量集中；

（7）采取合理火工矫正工艺：从两方面考虑，一是热量输入，使用合适枪嘴类型和火焰温度；二是火工矫正步骤和路径，掌握板材结构在火焰热量下变形规律，通过火工产生反向变形，从而矫正变形效果。

参考文献

[1] 李丽舒. 铝合金船体焊接变形及控制措施探讨[J].科技创新与应用，2017年，第32期.