921A调质高强度合金钢塑性收缩量

孙 云， 张全钢， 刘 江

(1.海军装备部驻上海地区第二军事代表室，上海 200129；2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

0 引 言

国内某船舶船体结构设计采用921A调质高强度合金钢，其各项性可与普通高强度钢不同，特别是在焊接和火工热源温度场的影响下形成的塑性收缩量不同于普通高强度钢。为准确掌握该结构材料在拼板、小组立和中组立焊接装配及后续火工作业过程中的塑性收缩量和变形量，结合该船结构设计和精度控制要求，选取局部典型结构，开展1∶1尺寸的试验片体建造，并在片体结构建造各阶段使用高精度设备测量相应数据，分析确定其在建造阶段的各项收缩量，确定基本收缩因数[1]，以策划其在船舶建造中的精度补偿量，为实际船体结构建造精度控制提供设计依据，为全船高精度建造打下基础。

1 片体总体设计

片体总体设计根据精度控制核心的收缩量和变形量展开，确保在各阶段均可采集符合要求的各项数据，以便后期分析处理，确定实际设计策划阶段的精度补偿量[2]。塑性收缩因数主要围绕拼板平对接收缩、结构角接主板收缩、火工矫正收缩和总组搭载合龙焊接收缩等4项展开。

1.1 结构设计

除上述各项数据收集条件外，为达到与真实产品的一致性，实现数据的有效性，结构设计选取船舶典型结构的常用板厚和材质，按相同的肋距和纵骨间距设定片体的肋距和纵骨间距，并模拟实际拼板缝，最终设计2组试验对象，分别为A1与A2片体组和B1与B2片体组。结构形式如图1所示。

图1 片体结构形式

(1)A1与A2片体组

A1与A2片体组模拟普通甲板结构，在片体装焊后进行横向对接，模拟总组阶段船宽方向的对接。主板板厚为12.0 mm，材质为921A钢，分为3片；甲板纵骨为T16双球头球扁钢；横向肋板板厚为10.0 mm，材质为907A钢。

(2)B1与B2片体组

B1与B2片体组模拟强力甲板结构，在片体装焊后进行纵向对接，模拟总组阶段船长方向的对接。主板板厚为16.0 mm，材质为921A钢，分为3片；甲板纵骨为T20双球头球扁钢；横向肋板板厚为10.0mm，材质为907A钢。

1.2 焊接工艺设计

片体焊接主要涉及板与板对接、板与板角接和板与型材角接等焊接形式，为模拟实船效果，采用与实际产品一致的焊接工艺方法。对于921A钢厚板焊接，拼板阶段采用双面埋弧自动焊，AY型对接坡口；对于总组阶段焊接，采用构架面实心焊丝混合气体保护焊和非构架面埋弧自动焊的组合焊接形式，Y型对接坡口。921A钢片体对接坡口如图2所示，其中：t为板厚；f为坡口留根值；c为坡口间隙。对于双球头球扁钢对接接头、型材与钢板焊接和钢板与钢板角接，均采用实心焊丝混合气体保护焊。

图2 921A钢片体对接坡口

2 试验阶段和施工工艺

2.1 试验阶段

试验分拼板试验、片体装焊+火工矫正和片体对接等3个阶段。拼板试验阶段：通过测量拼板对接焊，综合计算拼板缝收缩因数均值。片体装焊+火工矫正阶段：主要模拟分段建造阶段角接焊造成的整体收缩因数和变形量(平整度)影响，并通过火工矫正(降低应力和修正精度)试验计算其造成的结构整体收缩因数。片体对接阶段：主要模拟总组阶段主板及构架焊接形成的总组阶段收缩补偿量。按工艺要求，规定整体试验装焊施工顺序，如图3所示。

图3 整体试验装焊顺序

(1)拼板试验阶段

拼板试验阶段为①和②的拼板装焊，并记录焊接起点和终点。该阶段通过肋距、总长和对角线测量，监控拼板缝收缩量和拼板方正度情况。

(2)片体装焊+火工矫正阶段

片体装焊分为2步：第1步为纵骨装焊，即③④⑤；第2步为肋板装焊，即⑥⑦⑧。片体装焊通过档距、肋距、长宽尺寸、对角线和平面度测量，监控分段整体收缩量和变形量。焊后按规范要求进入火工矫正，消解残余应力，对该阶段的各项尺寸进行监控测量。

(3)片体对接阶段

片体对接阶段为片体组装试验，即⑨，进行平对接(非构架面焊接)和立角焊。该阶段通过两两对接(A1与A2片体组为横向对接，B1与B2片体组为纵向对接)，监控总组搭载合龙阶段焊接收缩量和变形量。

2.2 施工工艺

(1)拼板试验

拼板试验在平台上施工，保持每个片体的3片板材平整。拼板定位间隙为0～1.0 mm，铺板定位焊间距为200.0～300.0 mm，定位焊长度为30.0～50.0 mm。拼板端头安装相同材质和板厚的引熄弧板，正面焊接；在翻身后进行背面碳弧气刨处理和背面焊接。

(2)片体装焊+火工矫正

在拼板试验阶段后进行划线作业，按图纸使用钢针沿2个基准边划制纵骨和肋骨安装线。定位纵骨：与主板的间隙应小于1.0 mm；点焊在构架非理论线面一侧进行，定位焊间距为150.0～200.0 mm；定位焊长度为30.0～50.0 mm，按工艺顺序焊接。安装T型肋骨：安装要求与纵骨一致，按工艺顺序焊接。焊后在结构对接处进行火工矫正，消除残余应力并进行平整度矫正。

(3)片体对接

片体对接在平台上合龙组装，将支撑调整至水平状态。片体对接根据绝对基准边进行定位，定位间隙控制为1.0 mm内；安装定位马板，间距为300.0 mm；两端安装标准引熄弧板，片体四周设置刚性固定，以模拟总组阶段的拘束度。在装配后按主板和构架的焊接工艺顺序进行焊接；在对主板背面进行碳弧气刨处理后进行背面焊接。

3 数据测量

为提高测量数据的准确性，减少人为误差、随机误差和测量工具设备误差等，对测量工具、测量方案和测量流程等进行规划，实行定人、定设备和定阶段测量[3]，并按方案严格执行，保证数据精确可靠。为减少温度对结构尺寸的影响，每个测量阶段气温偏差在3 ℃内。

3.1 测量工具和设备

数据测量划线使用钢针，保证划线宽度控制为0.1 mm内，减少测量偏差。数据测量采用二维和三维的方式对同一数据进行测量，相互校验。二维测量使用5 m尺、钢直尺和游标卡尺；三维测量使用高精度全站仪，设备为1″级，测量精度为0.1 mm。工具设备均提前校验，使用相同设备减少不同设备误差。平整度测量使用3 m尺和全站仪进行交互测量，相互验证测量数据。

3.2 测量流程

根据施工建造流程，数据测量分为3个阶段，分别对应收集拼板收缩量、装焊收缩量+火工矫正收缩量和总组收缩量。根据工艺流程在各阶段分别进行4～5次测量，并进行数据统计分析。

(1)拼板测量阶段

在拼板试验前使用钢针划制拼板收缩量检验线，两端划制偏移100.0 mm的检验线；在拼板定位焊接前进行第1次测量；正面焊后进行第2次测量；在翻身碳弧气刨后进行第3次测量；反面焊后进行第4次测量。主要测量项目为各线间距、总长、对角线、焊缝平整度和基准线直线度。

(2)片体装焊+火工矫正测量阶段

在片体装焊前完成划线作业，进行第1次测量；纵行焊后进行第2次测量；T型肋骨焊后进行第3次测量；在定位焊拆除后进行第4次测量；在火工矫正变形后进行第5次测量。主要测量项目为各线间距、总长和对角线。在全部装焊后使用3 m尺进行平面度检测，并与全站仪三维数据进行对比。

(3)片体对接测量阶段

在片体对接定位后在断缝两端划制800.0 mm的对合收缩量检验线；焊前进行第1次测量；主板和构架焊后进行第2次测量；在主板背面碳弧气刨后进行第3次测量；背面焊后进行第4次测量。焊后使用3 m尺对焊缝两边进行平面度测量，对照全站仪三维数据进行复核。

4 数据处理

4.1 收缩量处理

(1)拼板缝收缩量

拼板试验阶段进行二维和三维各4次测量，片体拼板收缩量如图4所示，其中：括号内为实测数据。通过各环节收缩量的分析和计算，在相同条件下，片体拼板试验阶段的单板缝收缩量为0.70～1.30 mm，对角线变化量为1.50～2.50 mm，基准边直线度变化量为0.50～1.50 mm。焊接顺序对板缝收缩影响为起弧端收缩量大，收弧端收缩量小，形成收缩的不一致性。

图4 片体拼板收缩量

(2)构架装焊阶段主板收缩量

经现场建造焊接前后的收缩量测量，构架装焊阶段焊接收缩量如表1所示。在纵横构架装焊后，A1片体长度收缩量为1.00～2.20 mm，宽度收缩量为0.70～0.80 mm；A2片体长度收缩量为1.00～1.80 mm，宽度收缩量为0.60～1.20 mm；B1片体长度收缩量为1.00～1.70 mm，宽度收缩量为0.80～1.10 mm；B2片体长度收缩量为1.00～1.10 mm，宽度收缩量为0.80～1.00 mm。经综合计算，构架装焊阶段主板长度3档肋位收缩量测量均值为1.35 mm，收缩量分布均值为0.45 mm/档；宽度3档型钢收缩量测量均值为0.88 mm，收缩量分布均值为0.29 mm/档。

表1 构架装焊阶段焊接收缩量 mm

(3)火工矫正收缩量

火工矫正收缩量为0.25～0.50 mm，收缩量测量均值为0.375 mm，收缩量分布均值为0.125 mm/档。

(4)总组搭载合龙阶段焊接收缩量

总组搭载合龙阶段焊接收缩量如表2所示。根据试验阶段合龙4次焊接收缩量收集跟踪统计：A段总组收缩量为1.00～2.00 mm，收缩量测量均值为1.50 mm；B段总组收缩量为1.50～2.00 mm，收缩量测量均值为1.75 mm。

表2 总组搭载合龙阶段焊接收缩量 mm

4.2 精度补偿量处理

根据第4.1节(1)中的数据，拼板缝收缩量测量均值为1.00 mm。根据以往同型试验，拼板缝施工与试验对比因数为1.00，因此拼板缝精度补偿量单边加放均值为1.00 mm×1.00÷2=

0.50 mm。

根据以往同型试验，在实际分段装焊阶段中温度场效应更强。在纵骨架式结构中，高强度钢长度精度加成因数为1.20，宽度精度加成因数为1.10；921A钢屈服强度更高，预计其长度精度加成因数为1.05～1.10，宽度精度加成因数为1.00～1.05；经计算，长度精度补偿量分布均值为0.45 mm×1.10=0.495 mm/档，宽度精度补偿量分布均值为0.29 mm×1.05=0.304 5 mm/档，分别进位取整选取0.50和0.30。实际施工阶段中的火工矫正比试验阶段少，其精度加成因数为0.80～1.00；经计算，精度补偿量分布均值选取0.10 mm/档。经综合计算，构架装焊阶段主板长度精度补偿量分散延长加放均值为0.50 mm+0.10 mm=0.60 mm/档，宽度精度补偿量分散延长加放均值为0.30 mm+0.10 mm=0.40 mm/档。

根据总组阶段结构对接和装配因素，片体对接精度加成因数为1.50～1.75；经计算，片体对接总组长度精度补偿量为2.63～3.06 mm，宽度精度补偿量为2.25～2.63 mm。

4.3 平整度处理

分段拼板试验阶段正面焊后为略凹状态，偏差量为2.0～4.0 mm；碳弧气刨后的焊缝处平整度无变化；背面焊后收回一部分，最终偏差量为2.0～3.0 mm。片体装焊中的“瘦马”形肋骨构架较小，整体平整度良好，累计偏差量极限为4.0 mm；总组阶段对接平整度与片体平整度趋势和数值一致。分段焊后进行分段火工矫正背烧作业，背烧后的整体平整度变化量控制为±2.0 mm。根据上述变形数据，分段建造无须加放反变形以抵消结构变形，按921A钢火工工艺要求操作即可。现场三维测量结果如图5所示，其中：z为高度方向偏移值，正值表示上凸，负值表示下凹。

图5 现场三维测量结果

5 结 语

通过设计符合实船建造的典型结构试验片体，精确测量试验条件下的板缝收缩、构架收缩和结构焊接变形等情况，对比普通高强度钢，确定相应的精度加成因数，计算分析符合现场实际建造的拼板缝补偿量和分散延长加放均值，并对结构变形进行数据跟踪，分析平面度的影响及处理方案。通过对921A钢精度补偿量的相关基础数据研究，为相关产品的精度设计策划提供相应参数，减少设计阶段无谓的补偿量及裕量加放，增加分段的无裕量建造率并提升建造精度。