船舶焊接变形分析与控制

船舶焊接变形分析与控制

孙涛

身份证： 23212619910419209x

摘要：目前我国科技水平和经济水平的快速发展，焊接工艺在船舶建造中使用越来越普遍。而在船舶焊接过程中，焊接引起的变形会对接口处的稳定性产生一定的影响，降低船体部件的实际强度和船舶制造的精确度，进而影响船体的整体质量。因此，对于船舶焊接引起的变形问题，要深入研究成因，分析影响因素，以便采取多种有效方法综合作用，更大程度减小焊接变形，提高焊接质量。

关键词：船舶建造工艺；焊接变形；成因分析；变形控制

引言

在船舶制造的整个流程中，焊接是重要的组成部分，船舶焊接的工作量约占总工作量的35%，焊接产生的成本最多可占船舶制造总成本的50%，由此可见焊接工艺对船舶制造业具有重要的意义。目前，各种优良的焊接技术工艺在船舶制造的各个领域应用广泛，焊接技术在我国船舶制造业已经发展了几十年，焊接工艺也取得了极大的提升与发展，但是依旧存在一些问题和缺陷，针对这些问题和缺陷可通过针对性的方案来改善，并优化焊接工艺的设计。

1船体结构焊接变形常见类型

现阶段，在船体结构焊接过程中，常见的变形问题主要有局部变形与整体变形。其中，局部变形指的是船舶某个位置出现变形，包含角变形、波浪变形、弯曲变形、错边变形等；整体变形指的是船舶尺寸及形状出现变形，包含扭转变形、弯曲变形以及收缩变形等。从船体结构角度来看，焊接变形受多方面因素的共同影响，关键因素主要有外力、焊接残余应力、焊接热应力等。其中，外力主要指的是焊接环节的碰、磕、撞、摔等形成的力；焊接残余应力是在焊接完成后由于受到常温金属刚性固定和焊缝金属收缩的互相作用而形成的；焊接热应力是在焊接时金属不均匀加热的情况下出现的。

2船舶焊接变形的影响因素

2.1材料对焊接变形的影响

焊接材料本身的物理属性、机械性能对于焊接变形的大小有着重要的影响。其中，热导率是金属材料热物理属性中影响焊接变形的主要因素。大多数情况下，随着热导率减小，温度梯度将增大，进而使得材料产生较大的焊接变形。在材料机械性能方面，焊接材料的变形量与材料热膨胀系数正相关，因此，受热膨胀是对焊接变形产生影响的另一重要原因。除此之外，影响焊接变形的因素还包括材料的弹性模量和屈服极限。在高温时，弹性模量越大，焊接变形就越小。屈服极限越高，材料中产生的残余应力越大，进而使得焊接结构中具有较大的变形能量，脆性应变较大，塑性应变较小，因此所导致的焊接变形也就会相应减少。

2.2结构对焊接变形的影响

作为影响焊接变形的关键因素，良好的船体结构布置，较强的结构约束，能够显著提升材料焊接过程中的抑制变形能力，从而减小由于焊接快速升温、冷却而产生的变形，在焊接变形中起主导作用。因此，在焊接结构的设计中，要充分考虑通常情况下结构复杂性与本身具有的约束力之间的关系。详细来讲，主要包括肋骨、加强板、加强筋和肋板的设置位置和数量以及板厚数据等对结构的稳定性和刚性所造成的影响，形成的不同强度约束将对焊接变形大小产生重要作用。

3船舶焊接变形的控制与矫正

3.1进一步优化焊接程序

1）预伸缩。针对大型船体结构展开的焊接作业，需要由中间向周围扩散、对称实施。比如：在对工字梁进行焊接的过程中，不管是先焊接腹板接头还是先焊接面板，横向收缩都会在角焊缝中形成极大的应力，甚至出现裂缝；因此，需采取有效方式以确保其可以自由收缩。对于此问题，可将角焊缝留出部分位置、而后再进行焊接作业，从而确保接头可以自由实现横向收缩。2）先对收缩量较大的焊缝进行焊接。对于带筋板的工字梁，应先对腹板与面板实施焊接，而后对筋板角焊缝实施焊接，因为角焊缝有较大的横向收缩，则会在腹板与面板的角焊缝中产生极大的焊接应力。3）应用对称焊接方法。针对断面对称且刚性较大的工件，在焊接过程中采取对称的焊接工艺，此在控制构件的弯曲变形方面有着极大的作用。对于对称分布的焊缝，需采取双数焊工对称的形式实施焊接作业。

3.2选用高品质的焊接材料

随着经济全球化的步伐日益加快，我国与其他国家的接触也日趋频繁。在推动我国船舶制造业高质量发展的过程中，应学习发达国家的先进制造技术。在船舶制造过程中，焊接材料的质量对于船舶焊接质量甚至是船舶整体质量都有着直接性的影响。因此，需选用高品质的焊接材料，这样才可以切实增强船舶质量、延长船舶寿命。近几年内，国内船舶制造企业为了确保船舶质量的提升，不断缩小与西方发达国家间的差距，在具体制造环节中逐渐开始采用金属粉型药芯焊丝。此种类型的焊丝对于焊接人员并没有较高的要求，不仅可做到全工位焊接，而且可以确保熔覆效率的最大化。同时，在船舶焊接作业时还能够防止出现焊接飞溅状况，从而满足船舶制造业的有关规定要求。因此，在目前船舶制造业趋向于智能化、机械化和自动化发展的时代背景下，更应选择使用品质高的焊接材料。除此以外，还可考虑将金属粉型药芯焊丝与以往大量运用的CO2焊接技术融合使用，从而提高船舶制造过程的焊接效率，保证船舶质量，提升我国船舶制造业的技术水平。

3.3选择合适的焊接方法与焊接参数

通过调整焊接方法与焊接参数来减小焊接变形主要在于减少热能量的输入。因此，在保证焊透的前提下，要尽可能降低热能量输入以减小焊接变形，所以要适当减小焊接电流，尽可能提高焊接速度。同时，较高的电弧电压会导致电弧功率增大，提高焊接输入的热能量值，造成较大的焊接变形。因此，要在确保熔池宽度足够的情况下尽量减小电弧电压。对于中厚板件焊接有2种方法，一种是单道次、大输入热能量、一次焊透的方法，另一种是多层、多道焊。相比于前一种方法，后者可选用的电流更小，可以保持较快的焊接速度，这会使得焊接时的热输入能量维持在较低水平，从而减小焊接的横向和纵向变形量。电子束焊、激光焊接、窄间隙焊接等高能量密度焊接方法的焊接热输入相对低，焊接变形小。

3.4采用反变形法

1）对厚度在8-12mm范围内的钢板“V”型坡口进行接焊，在装配过程中反变形1.5°焊接以后，基本上不会出现角变形。2）在工字梁焊接结束后，由于横向收缩而造成的角变形，如果在焊接作业开始前，先将上下2个盖板压制成反变形，而后在装配完成后再实施焊接，便能够除去上下盖板在焊后出现的角变形。然而，反变形量大小主要取决于盖板的宽度及厚度，还与热输入、腹板厚度密切相关。3）集装箱船、海工船的管接头大多聚集于上部位置，在焊接后发生弯曲变形，因此需利用强制性反变形夹紧设备，同时配置对称均匀加热的痕迹顺序，基本能够矫正弯曲变形。4）在胎架上、线型放样中添加反变形量。基于相关经验，在横向上通常需每档肋距增加0.5mm收缩量，在纵向上通常需每档肋距增加1mm收缩量，如此则能够有效抵消整体尺寸的减少。

结语

船舶建造过程中影响焊接变形的因素多种多样，焊接变形对船体建造产生的负面作用不可忽视。因此，要从材料处理、结构优化、工艺改良和焊接矫正等多方面发力，综合采取措施，对焊接变形进行有效控制，提高船舶焊接质量和建造精度，进一步增强我国船舶制造的工艺实力。

参考文献：

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[2]屠潭泓.船体结构焊接变形预测与控制研究[J].船舶物资与市场,2021,29(05):101-102.

[3]杨立志,田凤玉.在船舶焊接中减小焊接变形的措施[J].金属加工(热加工)，2020,(20):35-36.