整体壁板装焊工艺研究

钟广军，朱 雨

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

某船采用的整体壁板是由挤压成型的铝合金带筋板条采用搅拌摩擦焊技术拼接而成，其相互间对接焊及与分段上结构件在焊后弯曲变形较大的问题是该船上层建筑施工中的技术难点。焊接完成后产生的较大或超差的初始变形不仅影响上层建筑的整体美观性，而且还需要精心细致、全面的水火矫正或机械矫正。同时，若矫正工艺缺乏合理性及规范性，可能对壁板本身又会造成不同程度的损伤。通过开展焊接及矫正工艺方法研究，以寻求合理、适用、方便的焊接方式、焊接变形的预防及控制措施、焊后变形的矫正措施等，以便制作出质量可靠、外在美观的整体壁板组合件，提高上层建筑建造质量，也是现代造船模式下精益管理和精度控制的需要[1～4]。

1 概 述

根据船厂建造工艺要求，某船上层建筑各分段均以舱顶甲板或平台板为基面，在胎架上反态建造，先完成舱顶甲板上结构件划线、装配后，再将舱室内围壁板组立（整体壁板）及外围壁板组立（整体壁板）逐件吊运、定位及装焊。

为方便零部件装焊及变形矫正，降低施工难度，提高小组立完整性，对于舱室侧壁板及横舱壁，应在车间内场地面的小组立专用铁平台上先将垂直T型材、横梁、三角板等安装在整体壁板上，焊接结束后将整体壁板采用机械或水火矫正的方法进行矫平（见图1）。

图1 上层建筑整体壁板小组立

为了对整体壁板组立件的焊接变形进行一次比较全面、系统的探讨和研究，首先基于铝合金材料特点的理论分析，着手展开研究工作，再根据施工实际，设计、制作专用辅助工装及工具，最后对整体壁板焊接变形控制措施、矫正工艺措施等进行归纳、总结。

2 铝合金板与普通钢板在焊接性能与变形量等的不同特点

铝及铝合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性（如氧化铝的熔点约为2050℃，氧化镁熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，因此焊接时容易造成未熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以氧化膜也容易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可以吸收较多水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性强，焊接时容易产生翘曲、波浪变形。铝合金薄板焊接后的自由变形是铝合金自身属性的最直接体现[5]。

与铝合金不同，用于船舶建造中的普通钢，其物理性能和焊接性都比铝合金要好得多，并且无论是在焊接材料的配备上，还是在焊接工艺方面，都已有长足的发展及进步，并已日趋成熟与完善。铝合金与普通钢的常规物理性能及焊接性对比见表1。

表1 铝合金与普通钢的物理性能及焊接性对比

从表1中可以看出，铝合金的密度约为普通钢的1/3，线胀系数约为普通钢的2倍，导热系数约为普通钢的2～3倍，凝固时体积收缩率达到65%～66%，因此极易产生焊接变形。尽管普通钢的焊接性比铝合金的好，自身强度也比铝合金高出许多，但由于某些高速船艇（如快艇、气垫船等）对船体结构自身重量的要求非常严格（在保证结构强度及使用性能的条件下船体自重应尽量低），比普通船舶要求苛刻得多，所以，铝合金材料在高速船艇产品中的应用越来越广泛[5]。

3 整体壁板焊接变形控制工艺

3.1 影响整体壁板焊接变形的因素

影响整体壁板焊接变形的因素很多，但原则上可归为热量的输入与分配、壁板的刚度、结构特点等3大类因素[6,7]。

1) 焊接输入热量的影响：由于铝合金材料焊接结构应力和变形可粗略地认为由于焊件受到不均匀的加热，而冷却时引起焊缝长度缩短和宽度减小所致。焊接变形的大小取决于输入的热量、热源的性质以及加热方法和分配。因此，无论是整体壁板间对接缝或与结构件的角焊缝，都应建立起在保证达到所需强度的前提下，焊接工作量越少越好的观念，使用合理的焊接参数，严格控制焊脚高度。在能够顺利完成整体壁板焊接操作的前提下，坡口型式、角度和装配间隙等以熔敷量少，以最大限度地减少焊接输入的热量。

2) 壁板结构刚度的影响：结构件刚度的大小也将影响焊后的变形。结构件的刚度取决于壁板本身的形状、尺寸以及安装在壁板上的结构件，如果铝合金材料没有足够的刚性约束，则在焊接及冷却过程中，应力就将引起焊件的变形并以此减少本身的应力。

3) 整体壁板结构特点的影响：与常规水密舱壁不同，某船整体壁板上的型材按理论尺寸等间距设置和固定，而安装在其上面的横向结构（球扁铝、水平桁材等）包含较多的三角肘板，在熔化焊接时焊接收缩变形较大，受结构件焊接拉伸应力的影响，使整体壁板组立件产生较大的翘曲变形，因此，必须研究采取相应的工艺改进控制措施，减少焊接变形的影响。

3.2 整体壁板焊接变形控制

在实船建造过程中，为了有效地控制整体壁板焊接的初始变形，着重考虑焊接辅助工装、设备、工艺等方面，并灵活运用，有效减小焊接变形[1～4]。

1) 控制好整体壁板焊接变形，必须从源头（原材料的切割下料、结构装配间隙的尺寸偏差等）做起，注重施工操作中的各类技术细节，这是有效减小焊接变形的前提条件；

2) 整体壁板等的下料应在平整平台或专用搁架上进行，不允许随意堆放在凹凸不平的场地上；整体壁板在装焊结束后吊运过程中应采取有效措施防止变形；

3) 卡马及钢质专用压条板：为使结构件产生较大约束，减少和控制焊接收缩变形，焊接前应在小组立多孔平台上用卡马将整体壁板四周压紧，并在拼板缝两端用引弧板（板厚及材质与拼板相同）连接拼板。为进一步控制焊接变形，根据舱壁板架的实际间距事先设计、制作各种规格钢质专用压条板在上层建筑各分段整体壁板板装焊时，根据实际结构情况将专用压条板置于每两档扶强材间或横向跨过放置在球扁铝上方，压条板需均匀放置，然后按设定的焊接顺序施工。采用这种方法焊接后，整体壁板组立件的初始变形明显变小；

4) 角钢与铝质模板采用螺栓连接的组合件：为防止小组立装焊、矫正好的整体壁板在分段大组立阶段的受外界因素而变形，吊装前采用角钢加铝质模板组合件进行刚性固定，安装在分段围壁下口的自由边附近，更好地控制壁板变形；

5) 矫正压铁：为配合整体壁板的水火矫正工作以及稳定分段的变形，设计了各种不同重量的焊装件矫正专用压铁，在分段及壁板变形矫正阶段配合使用；

6) 优选焊接设备及焊丝：通过对新、旧焊接设备试验相比，带有脉冲电流功能的焊机则比无脉冲功能的焊机更有利于减小焊接变形。现场采用升级后的福尼斯焊接设备试焊后发现，其焊脚明显偏小，焊缝成型均匀，从源头上有利于控制焊接变形。整体壁板组合件的装焊采用Ф1.0mm的焊丝，更加适用于薄板焊接，与广泛采用Φ1.2mm的焊丝相比，可以有效地减小焊脚高度，明显改进和提高焊缝外观成型质量。

7) 严格控制焊接参数：对于小组立部件，焊后无法避免的焊接变形应先予以矫正，符合要求后再进入下道工序。合理的焊接顺序应遵循的原则为：焊接力求分散、对称，先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝。

3.3 典型结构焊接变形控制

3.3.1 大尺寸整体壁板组件焊接翘曲变形

由于部分整体壁板尺度大（最长可达6～7m），且需安装的水平向结构件多，受结构件焊接拉伸应力的影响，在施焊这些整体壁板时，沿壁板中心线向两端产生较大的翘曲变形，尝试采用常规的水火矫正及机械矫正工艺效果均欠佳。为此，专门制作整体壁板机械矫正门架，先将变形的板架平放在门架下面的横梁上，非构架面朝上并放置3台顶升装置，矫正时先在壁板下方加热至约60℃，使板材易于弯曲矫正，同时3台顶升装置配合缓慢向下进行机械反向矫正，作业过程中需做好壁板的表面保护措施，避免速度过快、力度过大。在两者同时作用下使整体壁板得到较好的初步矫平效果；最后再次采用水火矫正工艺，控制好加热方法和区间，使壁板局部存在的少量波浪变形得以矫平。针对整体壁板的结构特点，采取了以下措施，进一步控制焊接变形（见图2）：

图 2 典型舱壁板焊接翘曲变形控制措施

1) 严格按照薄板焊接规范参数施焊，控制好焊脚高度及焊接顺序；

2) 在适当位置进一步增加整体壁板四周及中间的压铁块和固定卡马；

3) 沿壁板组合件中心线向两边适当预加反变形量；

4) 水平桁材上的三角肘板预先装焊，T型材组件矫正后再整体安装在壁板上，从而减少焊接拉伸应力的影响；

5) T型材面板十字型对接缝在其他构件焊接结束、壁板矫平后最后焊接。

工艺改进后，整体壁板翘曲变形明显减少，经过水火矫正后，壁板平整度良好，符合船体建造精度要求，最后将矫正好的整体壁板吊运、放置在专门搁置托架上，做好表面保护措施，待分段大组立阶段装焊。

3.3.2 球扁铝与其上垂直桁材的焊接工艺

为进一步扩大小组立安装范围，同时降低施工难度，上层建筑侧壁板的垂直球扁铝与T型桁材应在地面多孔平台上安装，T型材与球扁铝腹板应错开0～3.0mm以方便焊接（图3），通过焊接试验对比发现，先将球头一侧的角焊缝装配点焊固定，再在反面完成腹板立对接焊（球头处可适当打磨出较小焊接坡口），最后完成T型材腹板与球头的角焊缝，无论是对接缝还是角接缝，采用分段逐渐退焊法，使焊接应力更加平均、分散。与先焊接球头一侧的角焊缝相比，这种焊接顺序和方法能够更好地控制焊接变形，在进行火工矫正后，T型材腹板与壁板的垂直度良好（见图3）。

图 3 典型T型材与球扁铝对接焊接

4 整体壁板焊接变形水火矫正工艺

铝合金焊接变形的矫正措施通常有机械矫正和水火矫正两种。机械矫正适用于小范围内的局部变形（如舱壁板凹陷等）矫正，常采取敲打或槌击的方式，使变形部位同其它部位处于同一平面上；水火矫正则适用于范围较大的变形和变形程度较大的变形，如波浪变形、翘曲变形、“瘦马现象”等[5～7]。

4.1 壁板拼板焊缝常见变形的典型水火矫正

拼板焊缝的加热方法为线状加热法。加热温度：常用100～150℃（板较厚时表面温度可略高）。操作要领：

1）加热区施于拼板焊缝凸起侧（拼板下凹时需从板下方进行加热）；

2）加热方向由小变形部位移向大变形部位；

3）加热过程应保持连续性，一条加热线一次性加热完成，不可随意中断；

4) 若拼板变形较大，需先矫正完焊缝一侧后方可矫正另一侧，两侧操作要领相同。

4.2 壁板端部自由边变形的水火矫正

壁板端部自由边变形一般为波浪变形（见图4）。常用圆形与三角形加热法的温度t≤220～300℃；线形加热法的温度为180～200℃。操作要领（参照图4）：

1) ①、③线形加热区背对纵骨角焊缝一侧；

2) ②线形加热区正对纵骨角焊缝一侧；

3) ①、②、③线形加热时从变形小的区域移向变形大的区域；

4) 圆形和三角形的组合加热应从里向外（如图4中④所示）；

5) 圆形和三角形组合加热的位置一般选在变形上凸与下凹交界处，先矫正变形小的区域。

5 结 语

通过对整体壁板的焊接变形控制措施进行研究、探讨和试验，即从焊接前的预防措施到焊接后的矫正措施等，从一定程度上掌握了减小焊后初始变形的方式、方法，对焊接设备、焊丝等进行优选，采用更小的焊接电流施焊，并总结了整体壁板矫正工艺措施，提高了建造精度和焊接质量，为实船建造提供了有力的技术支持和保障，也为后续产品的批量建造奠定了技术基础。

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