船舶焊接变形的形成与控制分析

2021-04-03甄咏鹏邹涛

中国设备工程 2021年11期

甄咏鹏，邹涛

（南通泰胜蓝岛海洋工程有限公司，江苏南通 226200）

大量钢结构被用于现代化的造船领域中，焊接是钢结构拼装时常用的工艺。焊接工艺用于船舶焊接中对其技术提出较高要求，若焊接接头出现了变形问题，则会对船体构件的强度与韧性均形成不同程度的影响，最后造成整个船体制造质量跌落。从宏观上，焊接变形包括横纵向收缩、弯曲、角变形等几种，为焊接构件生产制造活动中发生率最高的质量缺陷问题之一，多种因素影响船舶焊接质量，作用于焊接变形问题的产生过程，积极探究焊接变形问题成因及相关控制方法具有重要现实意义。

1 船舶焊接工艺的现状分析

1.1 焊接新工艺

近些年，越来越多的新焊接工艺被用于国内大型船厂内，单面焊双面成型、焊接自动化等均是典范，其目的主要是提升焊接生产效率。在焊接船台或船坞大合拢环节中，为使最后的焊接质量得到更大保障，推荐采用C02气电垂直自动焊去处理部分平直接缝结构。

1.2 焊接设备

伴随焊接工艺的发展进步，焊接设备装置也有很大改善。很多船厂生产活动中积极采用C02气保护焊机，其有助于减少焊材的投用量、压缩人工成本及提升焊接工效，且对焊接工艺创新发展过程也起到一定促进作用。

1.3 焊材

在我国船舶工业持续发展过程中，其对焊材质量与性能等提出更多、更高的要求。当下船舶建造领域中常用的焊材有普通焊条、C02气体保护焊丝、埋弧焊材等。

2 对船舶焊接变形形成影响的主要因素

2.1 焊接方式及工艺参数

在现实生产中，焊接方式不同时形成的收缩量也有差异。若船体焊件厚度大体等同时，单层焊接在纵向上形成的收缩量大于横向，这主要是由于焊接操作时，先进行焊接处理的部位冷却对后期焊接部位的收缩性形成一定抑制作用。和直通焊接相比较，逐步焊接下的收缩性偏下，主要是由于后种焊接方式能更好的维持焊接温度的均匀性，故而其形成的压缩性形更具分散化特征。焊接工艺参数的设置情况主要影响着线性的能量，大部分工况下伴随能量增加过程压缩性的形变量也出现增长，故而可能会形成加大的收缩量。

2.2 焊缝长度与横截面积

一般状况下，在构件纵向上伴随焊缝现实长度的增加焊缝的收缩量会提升，在横向上焊缝收缩量增减和焊缝宽度值大小存在正比例关系，横向上焊接板厚、接口样态等均影响着收缩性。在人工焊接阶段，收缩量上升和钢板厚度增加过程相伴随，而在进行自动化焊接阶段会形成显著区别：在钢板厚度等同时，和X型坡口相比较，V型坡口的收缩量相对较大。

2.3 焊缝的位置

焊缝设置的部位对焊接形变形成的影响偏大，若焊缝在结构中心线上对称布设，那么此时其形成的形变较为单一，只是在纵、横向上发生短缩；若焊缝的现实部位与结构中心发生不对称情况时，不仅会在纵横向发生短缩，也会发生弯曲变形情况。

3 控制船舶焊接变形的对策方法

3.1 完善结构设计

船体结构设计情况不仅要符合船舶使用性能和强度要求，还需要尽量满足船舶制造阶段焊材用量最小、耗用工时最短、焊接变形最小等要求。也要依照依照焊接特征去完善设计，进一步减少焊接变形，要求主要有：（1）在保证钢构件强度达标基础上，尽量缩小焊缝截面积；（2）采用简易式装配焊擞台架完成装配；（3）对船体采用分段建造法，一方面有助于减少船台作业量，另一方面能更为准确的调控船体焊接变形整体状况；（4）把焊缝设置数目降至最少；（5）焊缝应朝着结构中心线靠拢，或者对称分布，有助于减少或规避弯曲变形问题。

3.2 确保焊接参数精确

焊接参数设置情况是影响钢构件焊接质量的主要因素之一，焊接电流量、速度、电压量等均是焊接施工阶段的常见参数类型，均需加强对其的管理控制。比如，在控制焊接电流量参数时，应参照现实焊接状况进行设置，需要考虑到的因素有焊接构件厚度、焊接接头形状、焊接层次规划、焊条长度、焊接具体部位等诸多因素，其中后3个参数应被设定为重点控制对象，因其直接影响着焊接变形情况的发生、发展过程，因此，只有将焊接参数调控在适宜的范畴中，方能更有效的减少与规避焊接变形情况。针对焊接速度参数的控制，具体施工阶段，工作人员的操作速度不能过快也不可过于缓慢，这主要是因为焊接过程慢速推进时，将会拓展焊料的受热面积，造成相应晶粒体积扩增，最后增加变形范畴；而当焊接过于快速时，则很难确保焊缝焊接和熔合的完全性，焊缝的成型效果也很难得到保障。针对焊接电压量的控制，确保其能准确设置即可。大部分船舶焊接实践中，参数设置情况如下：电流≤600A时，电压(20+0.04)V；如若电流＞600A时，电压参数应位44V。

3.3 船舶的建造工艺

纵观船舶的建造工艺，预留收缩余量、刚性固定与反变形法是业内控制焊接变形问题的常用方法。焊接变形控制阶段经常采用如下两种方法弥补设计方面存在的缺陷，即船体的弯曲反变形与尺寸变形。针对弯曲反变形，可以采用反变形量去消除，具体操作方法可以做出如下阐述：将反变形量施加到船体胎上方，各档肋距以1.Omm左右为宜。针对船舶全尺寸收缩变形问题，通常应用加放焊接收缩量的方法便能顺利处理，等同于使用预留收缩余量进行弥补。分段式生产制造阶段，明确要求工作人员一定要科学设置预留收缩量，依照相关公式估算出量值具体大小，生产中通过合理设置余量能够有效弥补焊以后尺寸收缩的问题，钢构件横向、纵向收缩量设置情况，每档加放焊接收缩量通常分别以0.5mm、1.0mm为宜。积极落实以上两种补偿式控制设计方法，能够较有效的抵除除船舶建造阶段形成的变形情况。反变形及刚性固定法均是船舶制造工业中最佳的焊接工法过程中最佳焊接工艺，前种工法是指于船体正式装配焊接前，赋予船体构件或者某个分段一个反变形值，施加的变形值要大于船体分段焊接以后形成的变形范畴，同时采用变形的逆向进行设置，以上操作遵照的原理是消除构件焊接以后形成的变形，从而间接抵消船体分段变形，或者把其分段变形程度降至最低。刚性固定法在船体装配焊接领域中较高的适用性，近些年其应用范畴也有不断拓展趋势，是当下船舶施工阶段控制变形问题的常用工法之一，把焊接构件全部焊缝（冷却到室温时）进行刚性固定形式剔除，借此方式去减缩自由状态工况下焊接变形范畴。各种直线或弧线的拉马、临时性电焊加强角铁、胎架螺栓衔接、分段周边固定定位焊均是较为成熟的刚性固定法。在现实应用期间应予以如下几点问题一定重视：一是选用适宜的焊接工艺，并科学设置焊接先后次序，小线能量焊接为主；二是用自动焊接将人工手动焊接取而代之；三是要在无装配应力强制的工况下装配船体。

3.4 散热法与回火法

可以把散热物体安放在焊接位置周边，借此方式帮助被焊接部件能在较短时间内冷却至室温，进而削弱热影响区形成的作用效果，同步减小了热影响区与船体变形范围，以上便是业内广为人知的散热法，也被叫做强迫冷却法，采用该种工法控制焊接变形问题时，应联合采用其他措施方法去规避淬火倾向偏大的状况，这样就不会因存有冷淬而出现裂纹。回火法实质上就是把焊接成型的部件整体安放到炉内，采用20～60℃升温速度进行加热处理，而后在适宜时间段内保温，出炉时加强其温度指标的控制，力争使其温度降到50～60℃区间内，该种方法在防止焊接变形或者裂痕问题方面表现出良好效能。