船舶焊接变形与控制策略分析

王 军

（滁州市地方海事（港航）管理服务中心，安徽 滁州 239000）

0 引言

船舶焊接变形的产生是影响船舶质量的主要因素，而焊接变形的产生又受到多方面因素的综合影响。船体截面的焊接变形不仅会降低装配和焊接质量，影响结构的承载能力，而且在外载作用下会产生附加应力，从而弱化结构的安全性。焊接变形会对装配和焊接产生严重影响，随着焊接过程的不断积累，生成的管片会与初始设计尺寸不匹配，在管片关闭阶段需要花费大量的时间进行手工校正和铲子切割。因此，控制船体结构的变形对提高造船效率具有重要意义。不同的装配和焊接顺序会改变分段装配阶段的焊件形状，进而改变结构的强度，影响焊接变形的力学过程。所以，有必要对分段制造各工序的焊接变形进行预测，以确定不同装配和焊接顺序与最终焊接变形之间的关系，从而制定出最佳的生产工艺。基于此，有必要对其展开更为深入的探究。

1 焊接变形的基本形式

在对船舶展开焊接工作的过程中，若是发现其焊件在形状以及尺寸方面出现变化，则代表着其构件同样存在变化，这种受到焊接影响所出现的变形问题便是焊接变形。在焊接工作完成并且构件完全冷却后，其最终呈现出的变形便是残余变形。针对船舶焊接工作而言，在施工的过程中不可避免地会遇到多样化的变形形式。在局部以及不均匀循环快速加热的影响下，焊件会出现热压缩塑性应变，进而导致残余应力的产生，这是出现焊接变形的主要原因。在实际进行焊接时以及焊接完成后，均会出现一定的变形现象，从焊缝收缩作用力自身位置和方向的实际情况来看，可以将焊接变形划分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形以及扭曲变形。具体为：1）收缩变形主要指焊件整体缩小的情况，焊缝的横向以及竖向收缩都是收缩变形的一种；2）角变形主要指由于焊缝截面的上下存在不对称的现象，或者其受热欠缺均匀性，所导致的焊缝收缩不对称，进而产生一定的变形问题，在V形坡口以及角接接头的位置有极大可能性会出现角变形问题；3）弯曲变形主要指其焊缝在结构分布方面的不对称问题，造成其焊缝纵向收缩存在着不一致，进而使得焊件整体开始向某一侧弯曲；4）波浪边形指在对船舶薄板进行焊接时，焊接所产生的压应力会在某种程度上影响薄板自身的稳定性，进而导致其出现波浪变形问题[1]；5）扭曲变形的产生则直接受到焊缝位置、施焊方向以及焊接顺序等方面的影响，若是上述操作不合理便会增加其出现扭曲变形的可能性。

2 船舶焊接变形的主要影响因素及焊接变形控制措施

2.1 主要影响因素

1）材料

从实际情况来看，焊接材料自身所具有的机械性能以及物理属性将会在极大程度上影响焊接变形的情况。从物理属性的角度看，热导率直接关系到焊接变形的大小，通常情况下，在热导率不断减小的过程中其温度梯度会随时增加，进而增大材料出现焊接变形的可能性。从机械性能的角度来看，材料热膨胀系数直接关系到材料自身的变形量。对于焊接变形来说，材料的受热膨胀是对其影响较大的因素之一，与此同时，材料的屈服极限以及弹性模量等同样会对焊接变形造成一定的影响。当处在高温状态时，若是其弹性模量相对较大，那么其焊接变形便会呈现出相对较小的特点。如果其有着较高的屈服极限，那么在材料中势必也会有着更大的残余应力，最终使得焊接结构本身存在过高的变形能量，脆性应变相对较高，进而在原有的基础上减少焊接变形。

2）结构

结构也是船舶焊接变形产生的重要影响因素之一。优化布置船体结构，提升其结构约束强度势必在一定程度上促进材料焊接的抑制变形能力的提高，在原有的基础上尽可能减少因焊接迅速升温以及冷却所出现的变形问题。基于此，结合焊接结构设计的实际情况来看，相关工作人员应当在实践过程中综合分析结构复杂性和约束力之间所呈现出的关系。具体来看，肋板、加强筋以及肋骨等的设置将会直接影响焊接结构的刚性以及稳定性，其产生的强度不同的约束会直接作用到焊接变形上，使变形大小产生一定的差异性[2]。

3）工艺

对厚度相同的材料进行加工的过程中可以采用单层或多层焊接的方式，其中单层焊接方式的应用在纵向所形成的收缩量明显比多层焊接的纵向收缩量大，工作人员在采用多层焊接方式时需要先冷却先行焊接的部位，在一定程度上达到抑制后期焊接部位收缩的效果。基于此，在正式进入到焊接生产阶段之后，如果使用的焊接方式不同，其最终在收缩量方面也会产生明显的差异。相对于直通焊接来说，逐步焊接方式的应用在实施阶段可以确保其焊接温度的均匀性，并且产生的压缩变形也会呈现出更加分散的特点，进而减小其收缩。

一般来说，焊缝在纵向上的收缩量会随长度的增加而增加，而钢板的接头方式、接口形式以及材料厚度等因素会直接影响横向上的收缩量。收缩量的增减同其宽度值之间有着正比例关系，在展开手动焊接工作的过程中，焊接收缩量会受到钢板自身厚度的影响，钢板的厚度越高，收缩量越大，与自动焊接相比有着一定的差异性。针对厚度相同的钢板而言，与X型坡口相比，V型坡口本身有着更大的收缩量，所以焊缝的宽度以及长度会更加直观明显地影响焊接变形。宽度和长度的数值越高，横向以及纵向的收缩量越大。相关工作人员应当加强对于焊缝设置部位的重视，在实践过程中充分了解焊缝设置部位对焊接变形方面所造成的影响。基本上可以按照焊缝的布设形式划分成以下情况：若是焊缝的布设能够同对称布设的要求相适应，在焊接时焊缝便会缩短，其变形也呈现出单一的特点；若焊缝位置并没有做到沿结构中心线对称布设，那么焊缝不仅会在横向和纵向上有所缩短，同时还会增加其出现弯曲变形的可能性。弯曲变形的程度将会受到多种因素的影响，其中焊缝同部件之间的距离对其影响很大，距离越远，在材料完成焊接工作之后产生的应力以及收缩力越大[3]。

2.2 控制措施

1）强化过程控制

焊前：在焊接之前，为了实现对于船舶焊接变形的有效控制，相关人员需要在正式进行焊接之前便采取相应的预防措施，具体可以从以下方面着手。一方面，需要事先对材料进行预热，当材料温度升高之后，温度梯度会有所降低，进而达到减小残余应力的效果。另一方面，应当针对船舶焊接变形的方向以及大小进行事先预测，在此基础上采用人为的手段造成一定的变形，使其与预测的变形结果相反，这样便可以在焊接时使得2种变形相互抵消，进而抑制船舶焊接变形。通常情况下，在开展船厂施工的过程中大多会使用刚性固定法对焊接构件进行固定，以达到控制变形的效果。与自由状态下的焊接相比，钢芯固定焊接方法的应用可以在原有的基础上减小局部变形。当前我国船舶构件焊接中经常会使用刚性固定法，具体包括胎架螺栓连接以及强筋板等。

焊中：在船舶焊接的过程中，工作人员需要加强对于焊接工序的合理把控，为了能够有效缓解普遍面临的焊接变形问题，应当着重考虑在焊缝形成之前，焊接应力以及变形的影响。在正式进行船舶焊接工作时，工作人员在焊件顺序以及焊件装配方面的选择存在一定的差异性，同样会对焊接变形产生不同的影响。基于此，工作人员需要展开更加全面和综合性的分析比较，在确保较强可操作性的同时，尽可能选择变形更小的施工顺序。在生产的过程中应当先针对小件进行组焊，接下来按照分段的形式进行组焊，最后进入到总体装配阶段，这也是当前船体构件焊接工作经常使用的焊接顺序。除此以外，工作人员在进行焊接工作时需要加强对于点距的合理把控。通常情况下，船体构件会采用长焊缝进行焊接工作，尽管连续直通焊的使用能够提高焊接效率，但由于热能的输入将会持续较长的一段时间，焊接变形量会在叠加效应的作用下增加。在面临这一问题时，工作人员可以改变原有焊接方向或者是采用分段焊的方式来控制焊接变形。在焊接顺序方面，一般来说需要根据焊缝的收缩量进行确定，先焊接有收缩量的部分，后焊接收缩量较小的部分。但若是面对厚板和薄板焊缝、横向和纵向焊缝以及对接和角焊缝同时出现的局面，工作人员需要按照由先到后的顺序展开焊接工作，这样便能够最大限度减少焊接变形的产生[4]。

焊后：早在进行船体建造的过程中使用了多样化的手段控制焊接变形，但为了更全面地抑制焊接变形，在完成焊接工作之后，工作人员需要针对其中出现变形的部位展开矫正工作。当前常见的矫正方法包括火焰和机械矫正法，其中火焰矫正还包括整体和局部类型。

二者在原理方面基本相同，差别只在于加热部位的不同范围以及大小。从本质上来看，二者均是针对金属构件展开连续的加热工作，等到材料逐渐冷却之后，其加热部位便会出现塑性变形，并且呈现出不可逆的特点，这样便能够矫正变形构架。与局部矫正相比，整体矫正在实际应用中存在着一定的不利因素，具体原因如下：因为本质上其实是直接加热整个构件，不可避免地会出现冶金副作用，机械矫正法的应用是当产生机械外力时产生压缩塑性形变的金属得到一定的伸展，通过对其塑性变形进行消除进而实现变形矫正。但在正式进行机械矫正时，有可能会面临金属的冷作硬化问题，因此，机械矫正法的应用对于材料有着较高的要求。若是材料本身脆性较强，那么便无法使用该方法，其仅仅能够应用在塑性良好材料的矫正工作中。在实际应用机械矫正法进行变形矫正的过程中，对于顶床、水压机以及大型油压机等的应用能够得以实现，起到辅助矫正的作用。

2）优化焊接结构

为了强化落实船舶焊接变形的控制，工作人员需要优化焊接的结构。一般来说，焊缝需要按照结构截面中性轴进行对称布置，需要尽可能缩短焊缝同截面中性轴之间的距离，以达到减小弯曲变形的效果，并且减少焊接扭曲的出现，切实提高船舶焊接变形控制成效。除此以外，相关工作人员还需要针对船体进行合理划分使其以多个部件及船体分段的形式呈现出来，以分散焊接变形，为后续开展相应的变形矫正和控制工作创造良好的条件。针对主要焊缝而言，需要尽量避免使用交叉和集中的布置形式，需要适当使用短的焊缝，或者是采用槽型舱壁等能够减少焊缝数量的结构。

3）合理使用施工工艺

反变形法：若想高效落实对于焊接变形的合理控制，应当加强反变形法的应用。反变形法是当前应用较为广泛的控制措施之一，本质上其实是在焊接结构自身变形特征的基础上事先确定一个与之方向相反并且大小相等的变形，进而同焊接过程中焊件所产生的变形相互抵消，促使完成焊接工作的薄板结构能够同设计要求相适应[5]。

刚性固定法：刚性固定法主要指在刚性的胎架或者是平台上对构件进行固定，在完成焊接之后便可以将其解放，这样便可以有效实现对于焊接变形大小以及程度的控制。工作人员在选择刚性固定法的过程中应当综合考虑相应的焊接方法以及构件情况，进而优化选用分段四周定位焊以及临时加筋板等方法进行操作，上述措施的应用可以为船舶焊接质量的提高以及焊接变形的有效控制提供方便条件。

自重法：若是其工字梁上部分的焊缝比下部分多，那么完成焊接工作的工字梁弯曲的方向是向上的，强化使用自重法能够通过梁本身自重弯曲的应用抵消焊接后的弯曲变形，在放置一段时间之后，会存在小部分的弯曲变形，但在实施过程中需要强化对于两支墩点距离的合理把控。

3 结语

减少焊接变形问题的出现能够有效提升船舶焊接质量，对于船舶的高效运行有着积极的促进作用。因此，相关人员需要强化落实对于焊接变形的优化控制，以提升船舶焊接水平，为其整体运行安全性以及稳定性水平的提升创造良好的条件。