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船舶焊接变形的控制与矫正

摘 要：现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，如不能很好地控制焊接变形，将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难，甚至达不到检验要求；本文针对船舶焊接变形的控制与矫正问题，首先分析了产生变形的原因，然后阐述了各种焊接变形的种类，最后分别从变形的控制以及矫正两个方面探讨了减少焊接变形的方法。
关键词：船舶；焊接变形：变形控制；矫正
0.前言

船体具有足够强度是船舶安全航行、正常营运的基础。要保证船体强度，在建造检验中，必须控制好造船材料、结构装配及结构焊接三个环节的质量。而三个环节中，焊接又是船体建造中最重要又最难控制的一个环节。如何控制和提高焊接质量，对船体监造验船师来讲是一个重要课题。
众所周知，所谓船体建造，其过程就是施工者依据施工图纸的技术要求对不同规格的钢材进行“放样、下料、加工”，然后再利用焊接工艺方法将它们“缝合”在技术图纸所规定的各自的位置上，从而形成整个船体。焊接对保证船体的强度起着决定性作用。在本文中着重讲解讨论船舶焊接变形的控制与矫正。
船体结构是一种典型的焊接结构。据统计，现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，焊接的质量和生产效率直接影响到船体的建造周期、成本和使用性能。对船体钢板比较薄的船舶来说，焊接引起的变形更为严重，如不能很好地控制焊接变形，将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难，甚至达不到质量检验要求，施工中焊接变形的控制与矫正显得尤为重要。为了更好的控制焊接变形以及对焊接变形进行矫正，本文首先分析一下焊接变形的原因。
1. 焊接变形产生的原因
电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程。焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束．出现了压缩塑性变形．这就产生了焊接残余变形。钢材的焊接通常采用熔化焊方法, 是在接头处局部加热,使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属, 形成熔池,随后冷却凝固成固态金属,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热,融合线以外的母材产生膨胀,接着冷却,熔池金属和熔合线附近母材产生收缩,因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行, 膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样,在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。
焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料、结构和工艺3 个方面。
1.1材料因素的影响
材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。不同的材料具有不同的热物理性能，例如材料不同，导热系数、比热和膨胀系数等均不相同，产生的热变形也不相同，焊接变形也不相同。
1.2结构因素的影响
焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。总体归纳起来结构因素主要包括以下两个方面：
（1） 焊缝数量和断面大小；
通常来讲焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。
（2） 焊缝接头形式
对接焊和角接焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常对接焊变形较大，角接焊变形相对较小。
（3） 构件的尺寸和形状。
随着构件刚性的增加，焊接变形愈小。
1.3工艺因素的影响
焊接工艺对焊接变形的影响方面很多, 例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少焊接变形多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中,总结出一些经验,利用特殊的工艺规范和措施,达到减少焊接残余应力和变形,改善残余应力分布状态的目的。
归纳起来焊接工艺的影响主要包括以下几个方面：
（1） 焊接参数
即焊接电流、电弧电压和焊接速度。线能量愈大，焊接变形愈大。焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大，随焊接速度增大而减小。在三个参数中，电弧电压的作用明显，因此低电压高速大电流密度的自动焊变形较小。
（2） 施焊方法。
连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大领续焊变形最小。
（3） 焊接工艺方法。
不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小。CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于薄板结构的焊接
（4） 胎夹具的应用。
采用胎夹具，增加了构件的刚性，从而减小了焊接变形。
（5） 装配焊接程序。
装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变，对控制构件的焊接变形有很大的影响。一般来说，焊接构件在拘束小的条件下，焊接变形大，反之，则变形小。
2. 船体焊接变形的种类
任何焊接结构的焊接变形，总是由一些基本类型的焊接变形所组成，船体结构也不例外。焊接变形可分为整体变形和局部变形。整体变形就是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生的变化（如图1所示），包括纵向和横向收缩（总尺寸缩短），弯曲变形（中拱、中垂）和扭曲变形等。局部变形是指焊接以后构件的局部区域出现的变形，包括角变形和波浪变形等。

图1 焊接所产生的各种变形
3. 控制船体焊接变形的原则与方法
焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的。控制焊接残余变形必须从船体结构设计和施工工艺两个方面同时采取措施。
在船体结构设计上除了要满足船舶的强度和使用性能外，还必须满足船舶制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。焊接工艺是船体施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。船体结构不按照焊接工艺特点进行设计，将带来过大的残余变形，削弱船舶强度，影响船舶使用性能。
在船体结构设计方面，为了控制船体焊接变形，设计院、船厂在设计中采取了各种措施，如将船体分为若干小部件与船体分段，使焊接变形分散在各个部件上，便于船体变形的控制与矫正；使船体焊缝的布置与船体分段截面中性轴对称或接近截面中性轴，避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形；对每一条主要焊缝，尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝；避免焊缝过分集中和交叉布置；尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式（如槽形舱壁）等等。
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。
（1）预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量)，焊后焊接残余变形抵消了预变形量，使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
（2）预拉伸法多用于薄板平面构件，焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的，

图2 预热去除预拉伸
如图2所示，焊前，去除预拉伸或加热，薄板恢复初始状态，可有效地降低焊接残余应力，控制焊接变形。预热的作用在于减小温度梯度，不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别，预热温度在300 ℃～400 ℃时,在钢中残余应力水平降低了30 %～50 %, 当预热温度为200 ℃时，残余应力水平降低了10 %～20 %。
（3）刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定，可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。
4. 船体焊接变形的矫正
船体建造过程中，虽然在船体结构设计和施工工艺上采取措施来控制施工中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和船体施工工艺的复杂性，一般来讲，产生焊接变形是不可避免的，对出现的超过设计要求的焊接变形必须进行矫正。
矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形，弯曲变形，波浪变形等等，对于船体结构的整体变形如纵向和横向收缩（总尺寸缩短）只能通过下料或装配时须放余量、补偿量来调整。矫正变形的方法有两种，即火焰矫正法和机械矫正法。
4.1火焰矫正法
火焰矫正法是通过对变形构件金属进行有规则的火焰集中加热。冷却后，焊接构件这部分金属获得不可逆的压缩塑性变形，使整个焊接构件变形得到矫正。火焰矫正法同样要消耗材料一部分塑性，对干脆性材料或塑性差的材料要谨慎使用。要适当控制火焰加热的温度。温度过高材料机械性能降低，温度过低使矫正效率降低。由于冷却速度对矫正效果不产生任何影响，船厂多采用边加热边喷水玲却的方法，既提高了工作效率，又提高了矫正效果。
火焰矫正法又分为整体加热和局部加热。
（1） 整体热矫正法
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差（如图3所示）。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
（2） 局部热矫正法
局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热，在高温处，材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后部位的伸长变形，达到矫正目的，火焰加热法采用一般的气焊焊炬，不需要专门的设备，方法简便灵活，因此在生产上广为应用。

a 火工矫正后的部位
b火工矫正后的部位
图3 火工矫正
4.2机械矫正法
机械矫正法是在室温条件下，对焊接构件施加外力，便构件压缩塑性变形区的金属伸展，减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的（如图4所示）。

图4 采用机械方法将变形部位向外拉伸
机械矫正变形法容易引起金属冷作硬化，消耗材料一定数量的塑性储备，因此，只能用于塑性良好的材料，不允许对塑性较差或脆性材料进行机械矫正。实际生产中，机械矫正法矫正过程中可以使用专用的大型油压机、水压机、顶床或人工利用大锤矫正。
5. 总结
综上所述，船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，从而既满足船舶强度和使用性能，又满足经济性要求。