船舶建造过程中薄板变形问题及其控制

宓震宇，朱慧

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

1 引言

船舶建造过程中为减轻自重，提升结构强度，时常会选择工艺拘束较小，结构稳定易加工成型的材料进行焊接，薄板焊接结构由于构造简单，工艺性能好，在船舶建造过程中得到广泛应用。但受到自身特性影响，薄板的焊接过程中经常会发生形变和收缩现象，航行过程中产生的波浪变形会进一步影响航行稳定性，一旦发生失稳就很难矫正，成为业内长期存在的亟待解决的问题。在焊接结构设计及维护方面，业内普遍停留于理论研究状态，在矫形工艺实践方面缺乏落实，需结合实际经验进行调节，薄板变形控制及相关矫形工艺的研究对提升船舶建造水平，提升企业效益，降低维护成本具有重要意义[1]。

2 薄板变形的主要原因分析

薄板变形集中在船舶建造堆放吊装、下料加工、拼版、片体等阶段。施工工艺的不标准也会产生一定程度的薄板变形，焊接工艺是最易出现薄板形变的工艺阶段，其中材料、施工技术、建造环境等因素都可能造成薄板变形的进一步加剧，且难以得到有效控制。薄板的堆放吊装阶段应当控制好薄板的堆叠层数，避免因承重台受压超出应力范围导致的变形，在施工过程中应做好压强控制与计算工作，减少受力集中引发的吊装期薄板变形。在船舶建造过程中，通常采用的激光切割技术由于技术和精度限制，相比等离子切割机的切口更为粗糙，因此前者产生的形变程度更高，排水量较高的大型船只和使用等离子切割技术切割的薄板在使用过程中发生变形的几率较低，即使出现小幅度变形也可以通过冲压机或外力拉伸的方法进行补救，在一定程度上控制变形；中小组和大组组立阶段及拼版阶段产生变形的主要原因是由于焊接，而诱发薄板焊接变形的主要因素较多，其本质因素是焊接过程中产生的热变形和焊件刚性条件，其中薄板形状和尺寸、焊接的程序、胎夹具的应用工艺都是影响焊件的刚性条件，而焊接工艺、数量、截面大小、焊接方法与材料特性都会在一定程度上产生热变形，这些因素综合起来在相互作用下对焊接结构造成了一定影响。①焊缝的结构位置。焊缝在船体结构中的位置错误是导致焊缝形变的原因之一，应保持焊缝与焊接截面中和轴的贴近，如距离较远则会产生幅度较高的变形。②焊接结构的刚性。薄板焊接的结构稳定性和刚性决定了抗侧力水平，在水体航行过程中薄板承受的水平作用力不变的前提下，刚性强度的降低会降低使用寿命，提升形变程度。③焊接装焊顺序会影响到构建装配的稳定性和刚性，甚至引发结构重心的偏移。④工艺方法和焊接参数。焊接方法会影响到结构的热变形幅度，建议采用变形度小的断续焊；焊接参数（电流、电压、和焊接速度）应符合施工标准，焊接时电压和电流的增大都将诱发变形，焊接速度的滞后会加深变形幅度，保障焊接速度是控制变形的方案之一。⑤由于焊接面的大小会影响到变形幅度，焊缝的数量应在符合设计标准的前提下尽可能保持控制在合理范围内；焊接的材料要符合热物理性能指标，其比热容、导热系数都会影响到变形区间，膨胀系数也应当控制在质量标准内，降低变形几率。⑥焊接方向，焊缝位置的变化会随着焊接方向的不同而变动，从而改变航行应力状态。此外，在进行预处理时应综合考虑形变条件，对变形原因进行深入调研，多方面制订合理措施控制焊接变形[2]。

3 薄板变形控制工艺

船舶建设是一项复杂的应用工艺，焊接形变是时常发生的现象，不仅对船舶的造型产生影响，还会对排水量、结构阻力、航行速度、船舶性能等一系列因素造成损失，为有效控制薄板变形，应在船舶建造的不同阶段加以调整，控制结构变形，对可能产生的变形因素进行补救。

3.1 堆放吊装期和下料加工期

堆放薄板平台的承压能力有限，控制压强是该阶段应着重注意的问题，应保持堆放平台的接触面平整和受力均匀，扩大薄板与支撑平台的接触面积，降低堆放层数和高度，减轻薄板重量。板材吊装环节可使用门架支撑薄板分担平台受压，使平台承压均匀从而降低变形几率，避免使用钢板夹吊装防止中层受压产生的塑形变形，运输过程中保持装车平稳，尽量避免叠放和堆压，遵循下大上小的原则，优化配送方案，降低配送时间，叠放要整齐有序。

加工阶段要保持钢材直线度小于3mm，10mm以上材料需采用等离子切割方式保障结构稳定，边线平整光滑，无可视明显弯曲下塌，切割面与薄板保持垂直，依据不同薄板和设计厚度制定切割标准和平整度，尺寸差限制在3mm以内，降低薄板在加工阶段的变形几率。

3.2 拼版阶段的控制方案

拼版是焊接的关键阶段，施工现场的平整度关系到焊接速度和可靠性，长期保持项目运营的船舶建造厂应至少保持每月1-2次的清理和刨平。焊接参数依据设计标准制定，尽量控制焊接时的电压电流，提升焊接速度，保障焊接质量。需注意焊接后产生的折角，如发生形变可使用冲压法进行反约束变形，但需注意循环应变作用下产生的金属疲劳，因此焊缝冷却后应停止作业；在2mm以来的折角可使用气刨重焊，检查时使用直线木样板进行比对，减少拼版阶段的不规则变形。详细工艺参数见表1。

3.3 组立阶段变形控制

组立阶段分为中小组立和片体阶段及大组立阶段，片体阶段T型材选用角焊机进行焊接作业，焊接后按工艺标准进行水火矫直，保持直线度变差不得大于3mm，制作片体需要在水平框架平台作业，片体焊接使用退缩焊接法，预留待焊区空间。片体球和扁钢应采用角焊机机型焊接，控制电压电流在标准范围内，保持焊接顺序的正确性，水火矫直后可上片体装焊，为方便吊运，直线度控制在3mm内，加排后组成一体，合拢接口不背烧。控制变形的主要方法是自由边活络加排法，避免通焊孔数量超标，保持焊缝位置磨平。装配T型材和横向扁钢前应当采用角焊机进行预焊，结构复杂时使用间隔跳焊。

表1 焊接工艺参数

大组立阶段的胎架水平度限制在3mm以内，使用胎架辅助支撑的方法对T型材和纵横片体结构进行支撑，为减少结构变形幅度，自由边的分段脱胎要带入组立结构中，基准板和胎架的连接使用小铁板降低结构变形幅度，控制焊接和火工矫直工艺，保持胎架平整度，焊接顺序要符合质量标准，先焊外板接缝和对接缝，再对内角焊缝进行补工，最后对外板角焊缝进行焊接。焊接参数和顺序的制定应严格按照设计和行业规范施工，确保精度。基准板对接缝的焊接过程中要对T型材交点和壁板交点进行优化，保障其符合质量要求，船舶甲板焊接采用对称退缩焊法，船只完工后的舾装件要在焊接点处于受控状态，脱胎保持放置水平，再进行火工处理。

4 结论

产生薄板变形的主要原因包括焊接位置的不对称，方向错误，连续焊接引发的热变形和装焊顺序的不合理等都，做好变形控制和矫正，需要在吊放、拼版、下料加工等阶段做好工艺调节和变形控制，严格依据工艺参数进行调整，确保焊接精度。望本文研究内容得到相关企业及技术部门的关注，加大船舶建造工艺措施应用实践，为控制薄板变形工艺提供建设性意见。