船舶焊接變形與控制策略分析

王 軍

（滁州市地方海事（港航）管理服務中心，安徽 滁州 239000）

0 引言

船舶焊接變形的產生是影響船舶質量的主要因素，而焊接變形的產生又受到多方面因素的綜合影響。船體截面的焊接變形不僅會降低裝配和焊接質量，影響結構的承載能力，而且在外載作用下會產生附加應力，從而弱化結構的安全性。焊接變形會對裝配和焊接產生嚴重影響，隨著焊接過程的不斷積累，生成的管片會與初始設計尺寸不匹配，在管片關閉階段需要花費大量的時間進行手工校正和鏟子切割。因此，控制船體結構的變形對提高造船效率具有重要意義。不同的裝配和焊接順序會改變分段裝配階段的焊件形狀，進而改變結構的強度，影響焊接變形的力學過程。所以，有必要對分段制造各工序的焊接變形進行預測，以確定不同裝配和焊接順序與最終焊接變形之間的關系，從而制定出最佳的生產工藝?；诖?，有必要對其展開更為深入的探究。

1 焊接變形的基本形式

在對船舶展開焊接工作的過程中，若是發現其焊件在形狀以及尺寸方面出現變化，則代表著其構件同樣存在變化，這種受到焊接影響所出現的變形問題便是焊接變形。在焊接工作完成并且構件完全冷卻后，其最終呈現出的變形便是殘余變形。針對船舶焊接工作而言，在施工的過程中不可避免地會遇到多樣化的變形形式。在局部以及不均勻循環快速加熱的影響下，焊件會出現熱壓縮塑性應變，進而導致殘余應力的產生，這是出現焊接變形的主要原因。在實際進行焊接時以及焊接完成后，均會出現一定的變形現象，從焊縫收縮作用力自身位置和方向的實際情況來看，可以將焊接變形劃分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形以及扭曲變形。具體為：1）收縮變形主要指焊件整體縮小的情況，焊縫的橫向以及豎向收縮都是收縮變形的一種；2）角變形主要指由于焊縫截面的上下存在不對稱的現象，或者其受熱欠缺均勻性，所導致的焊縫收縮不對稱，進而產生一定的變形問題，在V形坡口以及角接接頭的位置有極大可能性會出現角變形問題；3）彎曲變形主要指其焊縫在結構分布方面的不對稱問題，造成其焊縫縱向收縮存在著不一致，進而使得焊件整體開始向某一側彎曲；4）波浪邊形指在對船舶薄板進行焊接時，焊接所產生的壓應力會在某種程度上影響薄板自身的穩定性，進而導致其出現波浪變形問題[1]；5）扭曲變形的產生則直接受到焊縫位置、施焊方向以及焊接順序等方面的影響，若是上述操作不合理便會增加其出現扭曲變形的可能性。

2 船舶焊接變形的主要影響因素及焊接變形控制措施

2.1 主要影響因素

1）材料

從實際情況來看，焊接材料自身所具有的機械性能以及物理屬性將會在極大程度上影響焊接變形的情況。從物理屬性的角度看，熱導率直接關系到焊接變形的大小，通常情況下，在熱導率不斷減小的過程中其溫度梯度會隨時增加，進而增大材料出現焊接變形的可能性。從機械性能的角度來看，材料熱膨脹系數直接關系到材料自身的變形量。對于焊接變形來說，材料的受熱膨脹是對其影響較大的因素之一，與此同時，材料的屈服極限以及彈性模量等同樣會對焊接變形造成一定的影響。當處在高溫狀態時，若是其彈性模量相對較大，那么其焊接變形便會呈現出相對較小的特點。如果其有著較高的屈服極限，那么在材料中勢必也會有著更大的殘余應力，最終使得焊接結構本身存在過高的變形能量，脆性應變相對較高，進而在原有的基礎上減少焊接變形。

2）結構

結構也是船舶焊接變形產生的重要影響因素之一。優化布置船體結構，提升其結構約束強度勢必在一定程度上促進材料焊接的抑制變形能力的提高，在原有的基礎上盡可能減少因焊接迅速升溫以及冷卻所出現的變形問題?；诖?，結合焊接結構設計的實際情況來看，相關工作人員應當在實踐過程中綜合分析結構復雜性和約束力之間所呈現出的關系。具體來看，肋板、加強筋以及肋骨等的設置將會直接影響焊接結構的剛性以及穩定性，其產生的強度不同的約束會直接作用到焊接變形上，使變形大小產生一定的差異性[2]。

3）工藝

對厚度相同的材料進行加工的過程中可以采用單層或多層焊接的方式，其中單層焊接方式的應用在縱向所形成的收縮量明顯比多層焊接的縱向收縮量大，工作人員在采用多層焊接方式時需要先冷卻先行焊接的部位，在一定程度上達到抑制后期焊接部位收縮的效果?；诖?，在正式進入到焊接生產階段之后，如果使用的焊接方式不同，其最終在收縮量方面也會產生明顯的差異。相對于直通焊接來說，逐步焊接方式的應用在實施階段可以確保其焊接溫度的均勻性，并且產生的壓縮變形也會呈現出更加分散的特點，進而減小其收縮。

一般來說，焊縫在縱向上的收縮量會隨長度的增加而增加，而鋼板的接頭方式、接口形式以及材料厚度等因素會直接影響橫向上的收縮量。收縮量的增減同其寬度值之間有著正比例關系，在展開手動焊接工作的過程中，焊接收縮量會受到鋼板自身厚度的影響，鋼板的厚度越高，收縮量越大，與自動焊接相比有著一定的差異性。針對厚度相同的鋼板而言，與X型坡口相比，V型坡口本身有著更大的收縮量，所以焊縫的寬度以及長度會更加直觀明顯地影響焊接變形。寬度和長度的數值越高，橫向以及縱向的收縮量越大。相關工作人員應當加強對于焊縫設置部位的重視，在實踐過程中充分了解焊縫設置部位對焊接變形方面所造成的影響?；旧峡梢园凑蘸缚p的布設形式劃分成以下情況：若是焊縫的布設能夠同對稱布設的要求相適應，在焊接時焊縫便會縮短，其變形也呈現出單一的特點；若焊縫位置并沒有做到沿結構中心線對稱布設，那么焊縫不僅會在橫向和縱向上有所縮短，同時還會增加其出現彎曲變形的可能性。彎曲變形的程度將會受到多種因素的影響，其中焊縫同部件之間的距離對其影響很大，距離越遠，在材料完成焊接工作之后產生的應力以及收縮力越大[3]。

2.2 控制措施

1）強化過程控制

焊前：在焊接之前，為了實現對于船舶焊接變形的有效控制，相關人員需要在正式進行焊接之前便采取相應的預防措施，具體可以從以下方面著手。一方面，需要事先對材料進行預熱，當材料溫度升高之后，溫度梯度會有所降低，進而達到減小殘余應力的效果。另一方面，應當針對船舶焊接變形的方向以及大小進行事先預測，在此基礎上采用人為的手段造成一定的變形，使其與預測的變形結果相反，這樣便可以在焊接時使得2種變形相互抵消，進而抑制船舶焊接變形。通常情況下，在開展船廠施工的過程中大多會使用剛性固定法對焊接構件進行固定，以達到控制變形的效果。與自由狀態下的焊接相比，鋼芯固定焊接方法的應用可以在原有的基礎上減小局部變形。當前我國船舶構件焊接中經常會使用剛性固定法，具體包括胎架螺栓連接以及強筋板等。

焊中：在船舶焊接的過程中，工作人員需要加強對于焊接工序的合理把控，為了能夠有效緩解普遍面臨的焊接變形問題，應當著重考慮在焊縫形成之前，焊接應力以及變形的影響。在正式進行船舶焊接工作時，工作人員在焊件順序以及焊件裝配方面的選擇存在一定的差異性，同樣會對焊接變形產生不同的影響?；诖?，工作人員需要展開更加全面和綜合性的分析比較，在確保較強可操作性的同時，盡可能選擇變形更小的施工順序。在生產的過程中應當先針對小件進行組焊，接下來按照分段的形式進行組焊，最后進入到總體裝配階段，這也是當前船體構件焊接工作經常使用的焊接順序。除此以外，工作人員在進行焊接工作時需要加強對于點距的合理把控。通常情況下，船體構件會采用長焊縫進行焊接工作，盡管連續直通焊的使用能夠提高焊接效率，但由于熱能的輸入將會持續較長的一段時間，焊接變形量會在疊加效應的作用下增加。在面臨這一問題時，工作人員可以改變原有焊接方向或者是采用分段焊的方式來控制焊接變形。在焊接順序方面，一般來說需要根據焊縫的收縮量進行確定，先焊接有收縮量的部分，后焊接收縮量較小的部分。但若是面對厚板和薄板焊縫、橫向和縱向焊縫以及對接和角焊縫同時出現的局面，工作人員需要按照由先到后的順序展開焊接工作，這樣便能夠最大限度減少焊接變形的產生[4]。

焊后：早在進行船體建造的過程中使用了多樣化的手段控制焊接變形，但為了更全面地抑制焊接變形，在完成焊接工作之后，工作人員需要針對其中出現變形的部位展開矯正工作。當前常見的矯正方法包括火焰和機械矯正法，其中火焰矯正還包括整體和局部類型。

二者在原理方面基本相同，差別只在于加熱部位的不同范圍以及大小。從本質上來看，二者均是針對金屬構件展開連續的加熱工作，等到材料逐漸冷卻之后，其加熱部位便會出現塑性變形，并且呈現出不可逆的特點，這樣便能夠矯正變形構架。與局部矯正相比，整體矯正在實際應用中存在著一定的不利因素，具體原因如下：因為本質上其實是直接加熱整個構件，不可避免地會出現冶金副作用，機械矯正法的應用是當產生機械外力時產生壓縮塑性形變的金屬得到一定的伸展，通過對其塑性變形進行消除進而實現變形矯正。但在正式進行機械矯正時，有可能會面臨金屬的冷作硬化問題，因此，機械矯正法的應用對于材料有著較高的要求。若是材料本身脆性較強，那么便無法使用該方法，其僅僅能夠應用在塑性良好材料的矯正工作中。在實際應用機械矯正法進行變形矯正的過程中，對于頂床、水壓機以及大型油壓機等的應用能夠得以實現，起到輔助矯正的作用。

2）優化焊接結構

為了強化落實船舶焊接變形的控制，工作人員需要優化焊接的結構。一般來說，焊縫需要按照結構截面中性軸進行對稱布置，需要盡可能縮短焊縫同截面中性軸之間的距離，以達到減小彎曲變形的效果，并且減少焊接扭曲的出現，切實提高船舶焊接變形控制成效。除此以外，相關工作人員還需要針對船體進行合理劃分使其以多個部件及船體分段的形式呈現出來，以分散焊接變形，為后續開展相應的變形矯正和控制工作創造良好的條件。針對主要焊縫而言，需要盡量避免使用交叉和集中的布置形式，需要適當使用短的焊縫，或者是采用槽型艙壁等能夠減少焊縫數量的結構。

3）合理使用施工工藝

反變形法：若想高效落實對于焊接變形的合理控制，應當加強反變形法的應用。反變形法是當前應用較為廣泛的控制措施之一，本質上其實是在焊接結構自身變形特征的基礎上事先確定一個與之方向相反并且大小相等的變形，進而同焊接過程中焊件所產生的變形相互抵消，促使完成焊接工作的薄板結構能夠同設計要求相適應[5]。

剛性固定法：剛性固定法主要指在剛性的胎架或者是平臺上對構件進行固定，在完成焊接之后便可以將其解放，這樣便可以有效實現對于焊接變形大小以及程度的控制。工作人員在選擇剛性固定法的過程中應當綜合考慮相應的焊接方法以及構件情況，進而優化選用分段四周定位焊以及臨時加筋板等方法進行操作，上述措施的應用可以為船舶焊接質量的提高以及焊接變形的有效控制提供方便條件。

自重法：若是其工字梁上部分的焊縫比下部分多，那么完成焊接工作的工字梁彎曲的方向是向上的，強化使用自重法能夠通過梁本身自重彎曲的應用抵消焊接后的彎曲變形，在放置一段時間之后，會存在小部分的彎曲變形，但在實施過程中需要強化對于兩支墩點距離的合理把控。

3 結語

減少焊接變形問題的出現能夠有效提升船舶焊接質量，對于船舶的高效運行有著積極的促進作用。因此，相關人員需要強化落實對于焊接變形的優化控制，以提升船舶焊接水平，為其整體運行安全性以及穩定性水平的提升創造良好的條件。