浅谈船用薄板焊接变形的控制

田金宝 焦 智

（上海江南长兴造船有限责任公司 201913）

浅谈船用薄板焊接变形的控制

田金宝 焦 智

（上海江南长兴造船有限责任公司 201913）

本文从船用薄板常常出现焊接变形的原因出发，确定出影响焊接变形的两个变量为压缩残余应力和弯曲临界引力。而后从焊接设计到焊后矫正的整个阶段进行考虑，对整个焊接过程进行控制和监督，以达到控制焊接变形的目标。

船用薄板；焊接变形；工艺控制

低合金高强度的钢薄板常常作为船用薄板使用，这种薄板能够大幅度的降低船体的自重，同时利于提高航行速度。然而，薄板的焊接技术仍有待提高，焊接薄板中常出现焊接变形的情况。

1 船用薄板焊接产生变形的原因

焊接时引发薄板变形的原因较为多样，无论是焊缝的位置还是整体结构的设计，都有可能产生薄板变形。此外，薄板的预处理不到位以及切割方式不对也可能是造成变形的原因。

从内在原理上来讲，当薄板在进行焊接和强制装配等处理时，往往会产生一定量的压缩残余应力。当压缩残余应力大于薄板结构的弯曲临界应力时，薄板就会出现波浪形状的变形和筋骨外漏的情况，也就是我们俗称的“露筋现象”。从上述描述中我们不难发现，要控制焊接变形最重要的是对压缩残余应力和弯曲临界应力这两项指标进行平衡或改变。

那个关系可以用公式表示为：

屈曲临界应力=k（t/B）2

其中，t和B分布为薄板的厚度和宽度，而k则是板架的支撑结构系数。

2 对船用薄板焊接变形的控制

2.1 设计阶段的控制

2.1.1 板架支撑和板缝布置优化

为了提高屈曲临界应力，在进行板架支撑设计时需要提高舱壁扶强材的数量和剖口面积。此外，在生产时在舱壁合拢口的一层加一些水平扶强材，也可以设置槽钢等来提高支撑结构系数。

板缝布置的距离越合理，就越能降低焊接变形的可能。因此，板缝的位置要尽量靠近结构件，这样可以依托结构件自身的刚性来减少变形此外，拼板时尽量选用较大尺寸的板子，可以减少焊接的次数从而减少变形的可能性。此外，焊缝的位置尽量对称也能减少变形。最后，尽量在设计阶段减少火焰工序，对存在大开口情况的薄板结构，在其套料图上可设置“引桥”来跨过开口。

2.1.2 焊缝设计的优化

焊缝的横向收缩可能会带来薄板的波浪变形等，因此，控制其收缩的比例就可以有效地控制器焊接变形的可能。

具体来说，为了在满足船体自身对强度要求的前提下，尽可能地降低收缩值，可以通过减少焊脚高度来实现。此外，在船体的上层建筑的焊接缝隙工作中，在考虑结构腐蚀的前提下适当地使用断焊和双面对称间断焊等焊接手法。

2.2 构建运输阶段的保护

在进行装车和卸货的过程中，要注意薄板是否被保护到位，是否会受挂钩部位的影响而变形。此外，还可以制作胎具笼子来保护薄板，减少其直接接触吊钩等构建的次数。

2.3 施工阶段的控制

2.3.1 预处理阶段

预处理一般是用数控机床来进行等离子切割下料，等离子水下切割可以防止变形。同时近来时兴的激光切割也可以达到减少结构残余应力积累的目的，从而控制变形。此外，预处理还包括对板材的边缘进行加工。

作为船体建造的第一个步骤，预处理需要对钢板在运输过程中出现的弯曲进行矫正，使之平整。而厚度低于6mm的薄板在跑完后容易出现变形，因此要进行手动打磨和酸洗。或者在整个扶强材装焊完毕后在进行抛丸工序。

2.3.2 装配焊接阶段

装配过程中需要控制装配间隙在0到厚度的1/10之间，并且角焊缝的根部缝隙不得超过0.5mm。因此，在进行角焊缝和板材的对接焊缝处理中，先焊对接缝，再对完成角焊缝的构建进行划线，并对在交叉口出现的余高等情况进行处理。

此外，还需要控制放置反变形量，首先要确定合理的反变形值，但这一处理并不稳定。因此，要在装配过程中使用磁吸马板来降低对钢板的磨损。同时，当变形控制需求较高时，先做板对接和骨架装配，再统一进行焊接。

2.3.3 焊接方法优化

优化焊接方式主要是通过选择热输入量较小的方式来实现的，因为晓得热数量可以控制温度，进而减少焊缝收缩。具体来说，选材上可以选择小直径的焊条和多层多道焊条以及小直径的药芯焊丝。在小电流的条件下使用快速不摆动焊法进行焊接。

或直接使用二氧化碳自动交焊机，这种方法能够通过二氧化碳气体保护薄板，对控制变形有利。此时，如果将保护气体更换为80%氩和20%的二氧化碳的混合气体，对控制焊接时的飞溅有着较大的帮助。

2.3.4 焊接顺序优化

在焊接进行前编制典型分段结构的顺序来指导焊接工作，一般选择先焊对接焊缝，后焊构架上的角焊缝。对于较为特殊的情况进行特殊地处理和适当地优先焊接。

具体来说，对于船体外板和甲板这种焊接面较大的板块处理时，尽量先焊变形较大的长焊缝，再焊短焊缝。到了正式焊接的时候，则反向处理。此外，在进行船体上层建筑的焊接时，也需要先做板材的对接焊缝处理，在处理焊构架的角焊缝。双焊工同时对扶强材结构进行对称施焊。最后，若焊缝长度超过1m，则需要先焊上1/3的部分，再由上往下的进行逐步退焊。

2.4 焊接后的校正

实践证明，即便通过以上的工艺进行焊接变形的控制，仍然很难达到焊后薄板的完全不变形。因此，需要在焊接完成后开展矫正工作，一般采用线状加热法进行火工校正。此外，还有部分船厂引进了薄板感应热矫平设备，这种设备能够有效地改善矫正的环境，因而对5mm以下的薄板焊接变形都有较好的处理效果。其中，火工矫正就是通过控制温度来矫正变形，而温度的判断则需要通过钢材表面加热的颜色来进行估计。

2.5 过程监督

过程监督是全程的监督，具体来说就是要在实施焊接和矫正的过程中检查方案是否合理，并进行效果评估，并对监督过程中发现的焊接问题进行及时纠正。

此外，过程监督还应当建立适当的奖惩制度。组织焊接工作内部员工进行学习交流，以实现焊接各工段相互学习、共同提升。在工作过程中，以焊接变形控制的结果为导向，对先进工段予以表彰和奖励，对制作水平较差的工段予以惩罚，严重的可责令停工。

3 结语

通过从焊接设计阶段到最终的焊后矫正阶段的管理和监督，最终能够对薄板焊接变形的情况进行较好的控制。实际上，在这个过程中除了是对焊接变形情况的控制外，还对预防和避免焊接事故和提升焊接质量起到了较好的作用。就目前来看，热弹塑性等新型模型和方法对于控制焊接变形具有较好的作用。而我们进行研究的最终目标是追求薄板焊接一次成形，无需任何矫正的新型技术。

[1]毕磊，田喜平，王树堂.浅谈薄板结构件的焊接变形及控制[J].国防制造技术，2013，05：46～48.

[2]钟英福.浅谈薄板钢结构焊接变形质量控制与管理[J].山东工业技术，2016，05：213.

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2016-8-13