“海洋地质十号”调查船薄板变形控制

李德派 潘安国

摘 要：“海洋地质十号”调查船是一艘重量轻、航速快的船舶。该船对船舶重量控制严格，对舱室围壁板选用了厚度为4mm的薄板。薄板变形控制是该船建造的最大难点。本文从薄板建造的各个环节（原材料来货、数控下料、拼板、片体制作、薄板加强保型、薄板开孔、薄板吊运、薄板火工调型作业、焊材选用、焊脚控制等）分析薄板变形的原因和采取的防变形措施，使变形得到了有效控制。

关键词：薄板；焊接；变形；控制

中图分类号：U674.15 文献标识码：A

Abstract： The geophysical research vessel “HAIYANGDIZHISHIHAO” is a light， agile and speediness vessel. Because Weight control is strict， tank bulkhead chooses 4 mm plate. Thin plate distortion control is the biggest difficulty of vessel building. This paper analyses the causes of thin plate distortion and explain how to prevent distortion during every phase of thin plate building， including steel plate arrival， numerical control nesting， splicing plate， unit building， reinforcing thin plate， opening hole， lifting， flame Straightening， welding material selection， welding leg controlling in order that the distortion is controlled.

Key words： Thin plate； Welding； Distortion； Control

1 前言

“海洋地质十号”调查船是我司2016年承建的中国海洋地质调查局的一艘先进的科考船。该船船体舱室围壁全部采用4 mm薄板，全船10 mm以下钢板占全船结构重量的60%，因此本船是一艘较为典型的薄板船，这也是本船船体建造的最大难点。

薄板刚性差，短时间内易产生塑性变形，长时间内易发生弯曲变形，受热影响作用板面易产生波浪变形，同时板面收缩明显。

2 薄板变形原因分析

薄板在建造过程中产生变形的主要原因如下：

2.1 吊转运变形

包括钢板从钢厂来货、零部件运输、拼板翻身、片体翻身、小中大组立吊装、总组吊装直到最后船台搭载的整个过程中中产生的变形。

2.2 装配变形

由于零部件加工精度存在的误差、小中大组建造精度的偏差、以及平台或胎架不平整造成的装配变形。

2.3 焊接变形

因装配间隙超差或焊接操作不当造成焊脚过大、以及焊接顺序、焊接方法不合理引起的变形。

2.4 火工变形

板面切割动火作业、结构退火松骨和变形矫正过程中，因火工程序和火工方法不当引起的变形。

3 薄板施工方案

3.1 薄板精度方案

考虑到薄板受各种热影响作用（如：切割下料热影响、焊接热影响、板架骨材退火松骨、板面变形火工矫正等）板面会发生明显收缩，为减少或避免因板面收缩产生的短尺现象，该项目通过薄板试验并结合其他船的薄板建造经验，在每档骨材之间加放了1 mm的焊接收缩量；同時结合该船4 mm薄板片体结构特点（骨材两端为削斜节点，不与上下平台结构对位焊接），在片体端部依据片体长度情况又选择性的加放了3 mm、5 mm、8 mm的装配补偿量，减少或避免短尺现象的出现。

3.2 零件切割下料及矫平

在众多薄板变形矫正方法中，对板面尺寸影响最小又能确保钢板材质不发生变化的当属机械矫正。4mm薄板来货后先送九芯辊辊平消除钢板热轧应力和来货转运过程中产生的各种变形，再吊上切割平台下料，减少薄板切割因变形的存在对下料精度的影响。

考虑到薄板易产生塑性变形，而数控等离子切割平台的平整度将直接影响薄板切割精度，因此要求切割平台每2天进行一次整体清理，使局部挂渣严重位置做到及时清理，确保切割平台每6 m范围内水平度控制在±5 mm，减少切割平台对薄板切割下料的精度影响。薄板切割见图1。

等离子切割作业属加热工作业，切割过程中零件边缘受热会发生变形。针对这一问题，凡不大于8 mm的薄板切割下料后先送九芯辊辊平消除板边切割热应力，确保板面的平整度，再送往下道工序各工位。薄板矫正见图2。

3.3 型材下料及矫直

装配间隙直接影响焊接填充量，间隙越大填充量越大，焊接变形也随之增大。分析间隙产生的因素主要有：（1）型材不直存在弯曲；（2）板面存在凹凸变形；（3）装配作业控制不到位。

为了控制装配间隙，对肋骨冷弯机顶模进行了改造，使其满足薄板区域小骨材（一般规格为HP60*5的小球扁钢）的顶直加工需求，消除来货变形和切割加热工作业产生的变形，确保装配间隙控制在1 mm以内，避免间隙超差的情况出现。型材顶直见图3。

3.4 薄板加排方案

鉴于薄板片体刚性差、吊运过程中集中受力、转运过程摆放不平、转运颠簸产生的集中受力和焊接热影响等因素产生的变形，为增强片体刚性减少这些变形的发生，在片体制作焊前阶段实施薄板加排，提前进行干预补强。加排安装在结构面（板面区域长度10mm点焊，空档部位加连接码板），约束了因焊接产生的变形，减少板面的自由收缩，减少板边因板面受热分布不均匀产生的波浪变形。片体加排见图4。

分段成形后为减少后续吊运转运过程中的扭曲变形，先确定片体角接部位或对接部位的精度，再将所有的片体加排连接成整体，提高分段整体刚性。加排连接见图5。

3.5 薄板制作平台改造

薄板在拼板过程中，受埋弧焊机自重和网格状胎架影响，薄板板面会出现跌荡起伏的现象。根据薄板试验经验，薄板在钢平台制作较常规网格胎架上制作变形要小。对小组胎架进行改造，铺设钢板制作钢平台，确保薄板板面受到均匀的支撑，不会因集中受力发生变化。

结合之前的薄板建造经验，分段胎架为普通的活络桩胎架（桩距1 m*1 m）时，胎架板仅受到点支撑，部分强结构下方无支撑点，板面易因受力不均发生变形，增加后期火工矫正工作量。为避免或减少重力变形及引起的其他变形，薄板分段建造胎架选用了扁铁围边胎架（围边布置在强结构下方和胎架四周），确保强构件下方均有支撑保持板面平铺。胎架板上胎后用重块压贴并做封胎处理。扁铁围边胎架见图6，压胎见图7。

3.6 薄板焊接的选用

薄板区域角焊焊脚为4 mm，为加强焊脚尺寸的控制，拼板作业选用Φ2.5 mm的埋弧焊焊丝，装配点焊作业选用规格为SQJ501 ?1.0 mm藥芯焊丝，平角焊选用SQJ501 Φ1.0 mm的药芯焊丝，立角焊选用规格为DW-110EV Φ1.2 mm药芯焊丝，从焊材源头控制和减少线能量对板面的热影响。

3.7 薄板拼板焊接工艺

针对薄板切割下料过程中出现的切割自然坡口问题，拼板过程中采用二氧化碳气体保护焊正面焊接，背面采用埋弧焊焊接，消除自然坡口的影响；拼板引熄弧板选用400 mm*100 mm，宽边与焊缝垂直安装，增大板边约束长度，减少拼板板端“猪嘴”现象；拼板过程板缝两边采用重块压固，四周卡码固定，约束板面受热自由变形；板缝装配点焊作业采用Φ10 mm、间距100 mm钉焊，减少点焊长度，增大点焊密度，减少板面焊接过程中的张合，减少单个点焊热影响面积。

3.8 骨材安装与焊接

骨材配料到位后，对骨材的直线度逐根进行检查，及时减少或消除型材顶直后的反弹或吊转运变形对后续装配间隙的影响。主板四周卡码固定后，装配骨材（采用大小Φ10 mm、间距100 mm钉焊）过程中不允许出现强行装配。装配完后做好焊前加排处理，骨材边吊重块压固，长度≥600 mm的角焊缝均采用角焊小车焊接。

3.9 吊运方式

薄板吊运均采用磁力吊，转运采用平斗，增大受力面积，减少集中受力。

4 mm薄板片体选用小板夹，板面不允许焊接吊环，片体吊环焊接在骨材上或加强材料上，减少板面热影响变形。

3.10 薄板开孔

以往6 mm薄板现场手工开孔是采用2#割嘴，切割线能量大，板面在受热过程中易发生凹凸变形。针对该问题，船体结构切割选择了1#割嘴，管系开孔选择了便携式等离子切割机。开孔前在孔边50 mm范围内先做临时加强处理，切割时使用靠模，提升切割质量和效率，减少切割线能量，减少热影响次数。

3.11 薄板变形矫正

考虑到片体阶段约束较少， 4 mm薄板片体在片体阶段不进行退火处理，在分段成形后加（下转第页）（上接第页）

排连接成整体后再进行退火，变形部位优先考虑加排处理，必要时辅以火工矫正，减少火工作业次数，减少热工作业对钢板材质的影响。

4 结束语

（1）通过制定合理的精度方案，从设计源头上避免了后期间隙超差的可能性；

（2）通过对加工和建造平台的改造，解决了薄板板面软无法平铺的难题，避免了薄板骨材装配超差的可能性；

（3）通过制定合理的片体加排补强方案，弥补了薄板刚性不足的弱点，减少了薄板板面变形的产生；

（4）通过选取合适的焊材、合理的装配工艺和合理的焊接工艺，薄板焊接变形得到了控制；

（5）选取合适的薄板变形矫正时机，减少了4 mm薄板火调次数，避免了因火调过多对钢板材质的破坏和分段精度的影响。

从制作过程和完工质量来看，板边无明显的波浪变形，板面无明显的凹凸变形，完全满足相关规范与标准，获得了船东、船检的高度认可。该船薄板变形控制是成功的，为薄板建造积累了宝贵的经验。