上建薄板焊接变形控制和火焰矫正研究

霍利强

摘 要：船舶上层建筑常常采用薄板建造，在焊接过程中，控制变形显得尤其重要，不可避免发生的变形，需要采用火焰矫正的方法，提高船舶上层建筑的质量。

关键词：上层建筑;薄板焊接;火焰矫正;控制;变形

随着船舶的发展，船舶的上层建筑是船舶的面子，其平整度显得越来越重要。上层建筑一般是风雨密结构，这类非主船体结构设计人员在设计的时候常采用薄板建造以达到降低重量、减少成本的目的。但是在现场施工中薄板焊接对各项参数要求比较高，质量难以保证，容易发生变形的情况，影响产品质量，所以上层建筑薄板焊接变形控制和焊后火焰矫正显得尤为重要。

1 船舶上层建筑薄板焊接的变形

在上层建筑薄板焊接的过程中，局部金属的膨胀和收缩伴随产生相应的应变，即引起焊接变形。在现场上层建筑小组立电焊施工中主要包括潮湿区域的全满焊和非潮湿区域的间断焊，而变形量主要发生在全满焊接区;在间断焊接区，基本不会造成大的变形，在本文中我们暂时不做讨论。船舶上层建筑分段施工过程中常见的变形有：骨架与板焊接后的角变形，板受电焊应力产生的收缩变形，电焊过程中热胀导致的板弯曲变形和部分扭曲变形等。这些变形产生的原因是在焊接过程中产生了不可恢复的残余塑性变形，而在随后的冷却过程中，残余应力重新分布并沉淀，焊接过程中释放的残余应力的大小决定了焊接变形的程度，电焊产生的残余应力越大，其变性越大。

2 船舶上层建筑薄板焊接变形的控制

2.1 提高装配质量，减小装配间隙控制变形

分段制作装配的过程中，由于现场生产条件的限制，往往不可避免地在装配的连接处间隙较大，影响焊接质量，所以需在装配上层建筑分段装配过程中尽量做到：

a.钢板边缘必须整齐，打磨干净无毛刺，控制装配间隙在1mm以内;

b.装配过程中接口要平整，不能有错边现象，最大错边不超过0.5mm;

c.在装配边缘要做好引弧板，保证电焊的连续性;

d.在装配过程中定位焊采用小密点定位，焊点的间距为400mm～600mm。

e.在壁板外安装加强槽钢，槽钢安装的位置一般距离板底部600mm，保证装配吊装过程中板的平直度，同时需要明确加强槽钢的拆除时机，有些部位如果不影响上层建筑主体结构可以作永久加强，以免拆卸的时候影响外壁平整度，充分发挥加强在上层建筑薄板中的使用，以达到控制变形的目的。

2.2 选择合理的焊接参数，采用合理的焊接顺序

船舶上层建筑的甲板骨架大多是在平台区域施工，实施手工焊，这就需要使用合适的焊接参数。如果使用手工电弧焊，焊后不可避免地形成波浪形，最大挠度可达9mm～11mm。现在一般的大型船厂有条件采用CO2气体保护焊焊接，这可以大大减少母材的热输入量，从而也使板材的波浪变形大大减小。CO2气体保护焊，成本低，生产效率高，焊接电流相对较小，电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接速度较快，加热面积小，热影响区窄，焊件焊后的变形小，不易产生裂纹，尤其适合薄板焊接，可大大降低薄板焊接的变形。

船舶上层建筑薄板结构焊接顺序应遵循下列原则，即先焊对接焊缝，后焊角接焊缝，先焊横向焊缝，再焊纵向地接缝;先立角焊，再平角焊;先焊分段中间，再焊四周;先焊构架与构架之间的角接缝，再焊构架与板之间的角接缝;尽量使用双人沿构件对称施工，或单个焊工采用以构件中心向两侧延伸的对称焊接法。这样的焊接顺序才能保证在同等条件下产生的焊后变形相对较小。

2.3 焊缝的控制

在上层建筑分段平台拼板过程中，尽量减少手工作业，采用埋弧焊和角焊机的方式施工。上层建筑非潮湿性房间区域，在保证有足够的承载力下，减小焊缝尺寸，应严格控制焊缝高度及宽度，特别是角焊缝的焊脚高度，尽量控制在标准高度6mm以内。在非潮湿性区域角焊缝的施焊尽可能采用跳焊法或者间断焊。在板缝的对接中，可采用对焊法或者分段退焊法，尽量形成宽而浅的焊缝，而不要窄而深的，焊缝接头处注意充分预热并形成连续焊。

3 上层建筑薄板结构的矫正

上层建筑薄板结构焊接完成后，需要对焊后变形进行矫正。通常情况下，一是采用机械矫正，用千斤顶等设备拉、拽、顶，发生物理变形以达到机械校正需求;二是采用火焰校正方法，在焊接完成以后，对薄板发生变形的位置进行集中加热，然后做冷却处理，以加热的方式导致内部应力迅速扩张，对局部作冷却引起结构变化，改变原有的残余应力，校正薄板形状。本文我们主要介绍在施工现场经常用到的火焰矫正法。

4 火焰矫正在船舶上层建筑薄板焊后变形中的应用研究

4.1 火焰矫正的原理

火焰矫正是金属零件局部加热释放张力，在已经变形的结构中寻找并形成新的塑性变形的过程，要达到板面矫正的目的，就必须在焊后变形的板面及相应构件上进行局部的加热，在加热冷却的过程中，金属加热膨胀受阻而产生压缩应力，在压缩应力的作用下使已经变形的结构产生新的应力分布，从而恢复平直，从而达到矫正的目的。

4.2 火焰矫正的常用方法

a.线条加热法;b.网格型加热法;c.圆点加热法。

线条加热法是沿着骨架线进行水火线性加热。加热时火焰要沿着骨材的边缘，对着硬档部位进行加热，这样做的目的是为了使板材充满张力，同时配合水浇，能最大限度地调整线性变形，使板拉紧拉平。这种方式在上层建筑分段施工中最常采用。

网格型加热法主要用于骨材周围，有些板可能变形较大，线条加热法不能很好地矫正，这时在骨材的周围以网格的形式对凹陷部分进行加热并急速用水冷却，以促进凹陷部位还原，这种方法仅适用于板的外侧施工。

圆点加热法是在线性和网格加热使用后不能将板材调平的状态下使用的，圆点加热法产生的收缩力较大，冷却后加热处会出现局部增厚的现象，圆点加热过程中局部产生的应力较多，如果使用次数过多会产生堆积应力，使板材变形、变僵硬，所以在现场施工中我们尽量减少使用圆点加热的次数。

4.3 上建薄板火焰矫正的主要顺序

a.上层建筑总组从下往上依次矫正，即粗调，对加强槽钢拆除前阶段采用线条形加热以保证对硬档进行矫正;

b.上建总组过程中的原则：先甲板面，后围壁，甲板面先辅以火工拉紧，再对围壁进行细调;

c.上层建筑围壁板矫正的过程中先整体后部分，先保证大体平直，再对局部进行微调;

d.局部矫正原则：先骨架后板格，先易后难逐步矫正;

e.疑难杂症解决原则：辅以物理外力，进行火焰矫正法。

5 结语

上层建筑薄板焊接变形和矫正是国内外造船行业中的一个难以避免的问题，它不仅导致船舶上层建筑的美观性降低，还造成船厂生产成本的浪费。为了更好地解决这方面问题，需要在施工现场因地制宜对焊接工艺加以合理选择与应用，保证焊接操作合理性。同时也要积极采取火焰矫正等措施，严格控制薄板质量，做到降本增效的目的。本文对薄板焊接变形和火焰矫正的研究可为后续船舶上层建筑的建造提供一定的理论和操作基础。

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