钢质船舶薄板成型质量控制研究

徐兴奎， 周昌盛

(大连辽南船厂， 辽宁 大连 116041)

钢质船舶薄板成型质量控制研究

徐兴奎， 周昌盛

(大连辽南船厂， 辽宁 大连 116041)

结合某钢质高速船的建造，针对该船薄板的结构特点，分别从钢料加工、分段建造及合拢等方面阐述了该船薄板成型质量控制的基本内容，以及在船体建造的各个阶段所采取的不同的变形控制及矫正措施。在产品施工过程中，由于各项控制措施使用得当，有效地控制了薄板的变形，使该船薄板结构的整体成型质量达到了行业领先水平。

薄板 变形控制 水火矫正 加强措施

1 引言

随着近年来我国造船业的蓬勃发展，国内船舶市场正趋向大吨位、高附加值的方向发展，海工产品更是炙手可热，对于中厚板船舶的建造工艺也日趋成熟，紧跟日、韩等现代造船强国的步伐。但对于吨位小、板材刚度高的中小型高速船舶的建造而言，在建造工艺方面，尤其是对于薄板成型质量控制方面的研究还存在较大的提升空间。

考虑高速船舶的特殊性能，为了保证一定的航速，在设计时不得不尽量采用强度较高、厚度较薄的钢板作为船体的主要材料，以降低船体自身重量。薄板成型质量好坏直接影响船舶整体的美观效果。如何提高薄板成型质量也一直是船舶企业所面临的一个难题。面对刚度大、板材薄的船体结构，只能通过不断探索新工艺、新方法来持续提高薄板的成型质量。本文将结合某型高速船的建造，按照船体建造流程(船体建造一般分为钢料加工、分段建造、分段总组、坞台搭载等四个阶段[1])和船体结构特点，对厚度为3 mm～6 mm的薄板成型控制工艺进行总结和完善，供业内同行参考。

2 钢料加工

钢料加工阶段主要包括板材下料、零部件组对及焊接等工序。该阶段是薄板结构变形控制的基础，控制措施使用不当，内应力无法有效释放，会给后续的薄板变形矫正工作带来极大的不稳定性和不确定性。

2.1 板材下料

板材下料是船舶建造的头道工序，主要应控制以下两方面内容。

(1) 板材平面度。下料前，重点检测板材平面度。预处理后的3 mm～4 mm钢板平面度每米不大于2 mm。5 mm～6 mm钢板平面度每米不大于3 mm。板材平面度偏差对于薄板结构成型质量的好坏至关重要，平面度超差将导致在后续的组对、焊接过程中积累的内应力增大，不利于变形矫正。对于平面度超差的薄钢板可采用十芯以上辊床辊压，效果最佳。

(2) 水下切割。为了控制薄板在切割下料阶段的变形，切割一般采用等离子弧水下切割的方式，该种方式是控制薄板切割变形的最有效措施之一。在实施水下切割前，检测水槽内托板的平整度也是必不可少的工作。

2.2 零部件组对

零部件组对包括平面接板、型材组对、安装和焊接等工序，其控制要点如下。

(1) 平面接板。接板是将经数控切割后的单张钢板经过自动焊接，形成满足设计图样要求的船体外板、甲板、舱壁等平直结构的过程。接板应在专用焊接平台上进行，平台要有足够的刚度，直径3 m范围内平面度达到±1 mm。在接板焊接前，首先应对接板对接缝间隙尺寸及单边板的直线度进行测量，如超差则采取研磨的方式进行处理；其次要对接板的总体尺寸进行校验，如有偏差则应及时调整。尺寸校验合格之后对焊缝采用定位焊进行固定。定位焊过程中也要注意定位焊的间距并控制定位焊焊点大小，必须严格按照工艺要求及焊接规范进行施工操作。多张板材进行接板时则应注意接板顺序，避免因施焊顺序不当产生应力集中。接板结束后，应采用辊床进行辊压，板材的正反面各辊压一次，目的是消除钢板拼接后的变形。辊压后，对板材平直度进行测量检验，合格后方可转到下道工序。

(2) 型材组对、安装。这里的型材组对、安装主要指“T”型材和球扁钢与平面板材的装配，形成板架结构的过程。在结构装配过程中应注重对结构件的直线度及装配间隙的控制。应在专用的平台上进行结构组对、装配，以此保证结构件板架与平台接触无间隙，如有必要可采用自制的小型工装对结构件的装配状态进行控制。3 mm～6 mm薄板及结构的焊脚尺寸一般在3 mm左右，为了减少焊接填充物，降低焊接热传输，型材(角钢或球扁钢等)焊接端的圆角应磨平。定位焊应分布均匀，焊点直径在5mm左右，间距为50 mm为宜，并只钉焊结构一侧，不得使用拉杆固定。先焊无定位焊一侧，另一侧清除定位焊点后再焊接。

2.3 焊接

在此阶段，焊接主要包括薄板自动焊接板、板架焊接两个方面。

(1) 薄板自动焊接板。对于3 mm～6 mm的薄板自动焊接板主要采用CO2气体保护自动焊和细丝埋弧焊两种焊接方法，为达到提高焊接效率和保证焊接质量，通常采用两种焊接方法的组合方式，即正面采用CO2气体保护自动焊焊接，而反面则采用细丝埋弧焊。实践证明，在薄板自动焊接板过程中，采用组合焊焊接方式，即提高了焊接效率又有效地控制了焊接变形。

(2) 板架焊接。薄板平面板架的焊接效果是薄板成型的关键，焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素[2]，该工序焊接方法使用不得当会直接影响后续工序乃至全船薄板整体成型质量。要想板架成型效果好必须做好以下三点：第一，焊脚尺寸一致且趋近设计尺寸下限；第二，板架整体受热均匀；第三，做到焊接有序。

对于控制焊脚尺寸是硬性要求，要求提高焊接速度、控制焊接电流，在保证焊接质量的前提下，尽量降低焊接热输入；板架整体受热均匀是要求在板架结构焊接过程中广泛使用自动角焊小车，尽量做到结构的纵横方向，即在同一个框架结构内热输入一致；正确的焊接顺序是减小焊接变形的主要控制手段之一，在施工过程中应加强对焊工的工艺培训工作，杜绝随意乱焊。另外，值得注意的一点是焊接前需将压铁或磁性压码放置在焊接结构附近，使板架与平台压紧贴实。

2.4 变形矫正及结构加强措施

(1) 变形矫正。板架焊接结束后，其内部产生了焊接应力，这是一个不可避免的事实。板架在进行分段装配前必须进行一次水火矫正，以最大限度地释放焊接应力、消除焊接变形。板架焊接后如果结构变形较大，不能先对结构进行矫正，应先背烧(仅在结构背面采用火工矫正)，再矫正凹凸面，最后再矫正结构。

根据板架表面不平度的尺寸确定矫正先后顺序，先矫正凹凸深度较大的部位；对于结构变形超差的部位先进行背烧，结构背烧参数如表1所示。

表1 结构背烧参数

背烧结束后，再测量肋骨间钢板的平面度。如超差，先矫正上凸超差最大的钢板。随即进行火焰线状加热，加热线与结构平行。加热后矫正效果不明显或变形较大的区域，加热线在原始加热区域内加密，如图1所示(图中箭头方向为加热线方向，序号为加热顺序)。对于板架波浪变形的矫正，可采用短线加热矫正。其加热线与骨架夹角为35°～45°，如图2所示。

图1 加密线布置示意图

图2 短线加热线布置示意图

(2) 结构加强措施。在平面板架变形矫正结束后，非结构面安装三根结构加强扁钢。分别沿对接板缝长度方向距板架边缘150 mm左右和板架中心三个位置布置安装，如图3所示。加强结构要有一定的刚度，避免因刚度不足而失效。加强结构在分段建造与分段合拢阶段不予拆除，待合拢结束后一并拆除。

图3 板架加强结构示意图

3 分段建造

分段建造，是将钢料加工阶段所形成的部件和组件组装成立体分段的工艺过程。一般分为正造、反造和侧造等建造方式。鉴于本文所提及的高速船的实际结构特点，在此阶段主要是对分段甲板反造和舷侧板架整体式安装两个方面进行控制。通过采用合适的建造方式和采取适当的加强措施，使薄板分段的变形处在可控范围内。

3.1 分段的装焊

(1) 甲板反造。甲板通常带有梁拱，因此甲板一般采取反造方式。对于反造的甲板板架，是将接板后的成片平板铺设在事先用角钢支起的胎架上，调整定位后，按平面板架制作的方式进行结构划线、安装，其控制方法与钢加阶段相同。对于薄板结构，胎架模板的疏密程度直接关系到薄板的成型质量，必要时应进行加密。

(2) 舷侧板架整体式安装。对于高速钢质船舶而言，为减小阻力，其舷侧多采用折角线船型。该船型结构特点是舷侧外板横向线型多为斜直线型，即绝大部分为平直结构。这为舷侧平直结构平面焊接、分段安装提供了前提条件。如果按照常规的工艺，先定位安装结构之后再安装外板板，不仅需要搭设大量脚手架、增加装配工时和装配难度。由于在此阶段采用手工焊接，热输入不均匀，极易造成由于焊接变形而表现出的舷侧外板凹凸不平，俗称“瘦马”现象。如果舷侧外板构件在钢加平台上装焊，通过Tribon软件对外板进行展开，得到精确的二次划线图，实现舷侧外板及结构以板架的形式在分段上整体安装，从而节省大量工时成本，有效地解决了由于外板散装而造成的施工难度增加和成型质量不易控制等问题。实践证明，将舷侧结构组成平面板架在钢加阶段进行焊接，最后在分段建造阶段整体安装到分段上，这种“平面化”的施工方式既节省了工时又有利于薄板成型控制，显著降低了施工难度，很值得推广。

(3) 分段焊接。由于绝大部分施工过程的“平面化”，其焊接方法及控制措施与钢加阶段平面板架的焊接相同。只是在分段组装、焊接过程中控制焊脚尺寸和采用合理的焊接顺序就显得十分关键。

3.2 变形矫正及结构加强措施

(1) 分段变形矫正。分段建造完工后，需对外板、甲板、舱壁等产生变形的部位进行矫正。门、窗、舱口盖开口变形主要是由于钢板失稳所致。矫正方法为先在开口周围结构上进行背烧，并水冷。开口四周板材有波浪变形时，在门窗开口的四角进行三角形局部加热，水冷。除此之外，还应根据精控部门反馈的测量数据对分段主尺度进行统一修正。构件的矫正应根据变形原因、变形量及现场施工状态选取合适的水火矫正方式，在板架强度允许情况下进行作业，避免过度矫正引起板材的刚性变化。

分段在安装舾装件过程中也容易产生焊接变形，舾装件待安装区域及安装后的矫正变形工作也应在分段涂装前阶段一并完成。

(2) 分段加强措施。船体分段本身的板材较薄，在下胎吊装过程中，由于分段强度不够，很容易造成板材及结构变形。在分段内部及合拢口两端适当增加加强结构是非常必要的。该加强结构在合拢后拆除。

在吊装过程中，采用常规的眼板吊装则极易造成船体变形。因此船体分段吊装可采用吊带吊装的方式，并适当增加分段内部临时加强来避免分段吊装时由于受到挤压而产生的变形。

4 合拢

根据工序的相似性，这里所谓的合拢包括分段总组和坞内搭载两部分，主要是控制合拢口的变形。此阶段是分段残余应力释放的最后阶段，分段合拢焊接前必须采取适当的工艺措施尽可能释放残余应力。分段涂装后总组过程中产生的焊接变形，仅对合拢缝区域进行矫正，其余变形待坞内合拢完工后再进行矫正。上层建筑分段合拢前，应对上层建筑分段结构安装位置处甲板变形进行矫正。所有分段合拢后，甲板或舱壁上舾装件基本安装结束，这时再进行甲板、舱壁等的最后一次矫正。

至此，船舶在下水前，所有的薄板成型质量控制工作已基本完成。船体外板、甲板、舱壁等结构的变形均得到了有效控制。通过以上各阶段的控制措施，某高速船的船体建造取得了巨大成功，尤其是外板的成型效果达到了历史最佳，获得业内专家的一致认可。

5 结束语

薄板成型质量关系到船舶整体外形美观程度，成型质量的好坏直接反映了船企的建造水平和生产能力，是船企技术进步不可获缺的重要部分。本文紧紧围绕提高船舶薄板成型质量这一主线，紧跟新形势下的新技术、新标准、新工艺的发展步伐，认真研究和贯彻已有的工艺方法，密切联系自身生产实际需求，推动了薄板成型质量控制举措的不断发展，对新时期的船舶建造有着积极的意义。

[1] 应长春.船舶工艺技术[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第3卷)[M].北京：机械工业出版社，2007.

Quality Control for Sheet Forming of Steel Vessels

XU Xing-kui, ZHOU Chang-sheng

(Dalian Liaonan Shipyard， Dalian Liaoning 116024, China)

Combining with the steel structures’ construction of some high speed steel vessel and aiming at the structural features of sheet plates, this paper expounds the basic contents of quality control for the vessel’s sheet forming in terms of steel material processing, block building and assembly, etc. It also introduces the deformation control and corrective measures adopted at different stages in the whole construction process. The sheet deformation is controlled effectively by properly adopting each control measure, which made sheet structures’ overall forming quality achieve the leading domestic level.

Sheet Deformation control Fire and water correction Strengthening measures

徐兴奎(1976-)，男，工程师。

U671

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