浅谈减少船体结构焊接残余变形的若干措施[谷风书屋]

1、浅谈减少船体结构焊接残余变形的若干措施（2008年第2期 总第106期）更新时间：2008-07-11字体：大 中 小 蔡 春 和（中国船级社福州分社，福州 350001） 摘 要 本文阐述了船体结构焊接残余变形与应力的危害、影响因素及应对措施，着重分析合理的装焊顺序和火焰矫正法，希望能给船舶建造施工有关人员以启迪。 关键词 船体结构 焊接 变形 应力 影响因素 措施 1 引言 船体结构属于一种典型的焊接结构。焊接在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，高达30%40%。焊接质量和生产效率直接影响船体的建造周期、成本和使用性能。电弧焊作业是一个不均匀的、快速的加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后

2、结构都将产生变形和应力。它是焊接施工中最麻烦也最难处理的问题之一。当部件和分段因焊接而产生变形时，会给船体装配和焊接带来很大的麻烦，甚至因无法矫正而导致整个结构的报废。焊接变形还将引起甲板失稳以及舱壁、外板的凹凸变形，使船体结构强度降低。焊接残余应力对焊接结构的脆断、应力腐蚀开裂、失稳等都有很大的影响，危害性很大。本文对焊接变形与应力产生的原因和影响因素进行分析，并结合实践着重介绍一些应对措施和矫正办法，希望能对实船建造有所帮助。 2 影响焊接变形与应力的主要因素 产生焊接变形与应力的最本质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

3、塑性变形，这就是产生各种残余变形与应力的根本原因。 2.1 与热变形有关的因素 2.1.1 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、CO2气体保护焊变形小些。 2.1.2 焊接参数 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少。 2.1.3 焊缝数量和断面大小 焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。 与热变形有关的因素还有施焊方法和材料的热物理性能等。 2.2 与构件刚性有关的因素 与构件刚性有关的因素有构件的尺寸和形状、胎夹具的应用和装配焊接顺序等。其中装配焊接顺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

4、制构件的焊接变形和应力有很大影响。一般来说，焊接构件在拘束小的条件下，焊接变形大而应力小；反之，则变形小而应力大。 3 应对措施 3.1 刚性固定法 这种方法简单易行，在船舶建造中广泛应用。例如分段上船台合拢时，在定位后常使用马板进行固定，然后才施焊。 3.2 反变形法 反变形法是使焊后变形被反变形所抵消而达到防止焊接残余变形的一种积极办法。其关键是在实践中积累和掌握变形的规律和变形的大小。 （1） 例如，某13000吨化学品/油船，一开始在运用埋弧自动焊进行平板对接时常发生变形如图1。查明原因后采用反变形法进行纠正，效果显著，如图2。 （2） 双层底分段沿长度方向的首尾上翘变形及沿纵向作出的

5、反变形示意图如图3。 通常，当分段长度L8m时，可不预作反变形； 当分段长度L=812m时，则作反变形值Y=2/1000Lx； 当分段长度L12m时，则作反变形值Y=1.5/1000Lx。 式中，Lx为放变形值处至1/2L（分段长）之间的距离。 例如，某720TEU集装箱船，分段长度为10m，于是作胎架反变形值8mm，在长度方向的收缩余量用加大每档肋骨间距1mm来解决。分段建造完工后经外形数据测量，结果正常。 （3） 在船台合拢中，船体经焊接以后引起收缩变形，往往产生总长缩短以及二端上翘现象。 实船建造中，为克服这种纵向弯曲变形，通常采用反变形法，如图4所示。 例如，某12000吨系列油船在船

6、台合拢时考虑了首尾上翘因素，并借鉴了之前建造同类型船舶的实测数据，采用的反变形值最大处达50mm，效果很好，最后主尺度和船底挠度测量值精度很高，都能满足规范要求。 3.3 合理的装焊顺序 装焊顺序的基本原则是：先期焊缝产生的焊接残余应力与变形尽量不影响或少影响后期焊接的残余应力与变形。对于比较复杂的焊接结构，在进行装配焊接时，可以将其分成几个简单的部件进行分别组装焊接，然后再进行总装焊接。这样可以避免某些组装件的焊接残余应力与变形带到总体结构上去。造船中采用的船舶分段建造法就是合理装配焊接顺序的实际应用。 合理安排焊接顺序是船体结构焊接中十分重要的工艺内容，是保证焊接质量，减少焊接残余变形和焊

7、接残余应力的主要措施之一。如果考虑不周，会造成结构中局部应力集中或应力过大，导致船体结构和焊缝脆性断裂，同时也易使船体结构产生较大的变形，增加了其矫正的工作量。本文着重阐述焊接顺序如何确定。 3.3.1 确定焊接顺序的原则 （1） 保证钢板和焊接接缝一端自由收缩的可能性。 （2） 先焊接对其他焊缝不起拘束的焊缝。 （3） 在构架和板接缝相交的情况下，既有对接缝也有角接缝时应先焊接对接缝，然后再焊角接缝。 （4） 当分段、总段焊接时，尽可能由双数焊工从分段中部逐渐向左右、前后对称地施焊，以保证结构件收缩均匀。 （5） 大合拢时，焊接应采用对称于纵中剖面的焊接程序，以保证船体中心线不致发生扭曲现象

8、。 （6） 处于大接头同一断面的各种构件，应先焊大接头的对接焊缝，再焊其他构件的对接缝，最后焊其他构件的角焊缝。 3.3.2 船体构架的焊接顺序 在船体构架上大部分的接头是角接头（如立角接缝、仰角接缝和平角接缝），此外还有少量的对接头（如平对接缝、立对接缝和横对接缝）。船体构架焊缝的焊接顺序是先对接缝，后角接缝。 对接缝的焊接顺序是先平对接缝，再横对接焊，最后立对接焊；带坡口的接头先焊，不带坡口的接头后焊。角接缝的焊接顺序是先焊立角接缝，后焊平角接缝。仰角接缝在起吊能力允许的条件下，在完成除仰角接缝之外的焊接工作之后，将分段翻身，变仰角焊为水平角焊，从而提高焊接生产效率和减轻焊工劳动强度，同时

9、也保证了焊缝的质量。举例如下： （1） 桁材与板列上接头的焊接顺序如图5所示。 （2） 两条焊缝呈T型相交叉的对接缝，其焊接顺序先焊焊缝1，后焊焊缝2。如图6所示。 （3） 两条焊缝呈十字型相交叉的对接焊缝、其焊接顺序如图，先焊焊缝1，后焊焊缝2。如图7所示。 （4） 肋骨框架的装焊顺序。 首尾立体分段的装焊顺序通常为：将肋骨、横梁、肋板与平台上的型线号对准，用“马”固定后安装肘板，然后进行定位焊。为了防止框架变形，还应安装临时加强材。在装配过程中，若发现肋骨、横梁线型不符合时，不宜强制成型，需待校正后再装配，否则会使整个框架在解除固定后因回弹而产生变形。 3.4 合适的焊接规范 采用合适的焊

10、接规范，控制焊接线能量是减少焊接残余应力的一个重要措施。 具体措施有：采用小直径焊条焊接，采用多层多道焊接，采用小电流快速不摆动焊法，或采用高效的CO2焊等。 3.5 焊前预热 预热的目的是使焊接区与局部结构之间的温差减小，从而降低温度分布不均匀性，使冷却速度减慢，降低焊接收缩应力，也使产生裂纹倾向变小。 4 焊接残余变形和应力的矫正消除法 4.1 消除焊接残余变形的方法 消除焊接残余变形的方法有机械矫正法和火焰矫正法等，这里着重介绍火焰矫正法。 4.1.1 火焰矫正原则 （1） 在分段建造完成后只对骨材吊装接口边缘的变形进行火工校正，减少火工加热次数。 （2） 在校正施工中要严格执行规定的工

11、作程序和选择既定的火工参数，特别是要严格控制加热温度，不得随意更改。 （3） 绝对禁止使用铁锤敲击，必须锤击时只能用木锤和塑料锤。 （4） 对板的局部凹凸变形采用小火圈加热形式，火圈直径为20mm，从外到内，火圈疏密视情况而定，一般间距在50100mm。 （5） 板的纵向波浪在加强材两侧边缘条形加热火路距离构架5mm，采用隔档加热的办法控制总体变形。 （6） 同一部位加热次数不得超过3次。 4.1.2 火焰矫正加热方法 火焰矫正法矫正变形的关键是对火焰加热部位的选择。加热位置一般选择在被矫正变形方向的反向一边。例如：弯曲变形应选择在反向弯曲的一侧；另外应选择在变形的鼓凸之处，例如波浪变形应选择

12、在变形的高起部分。船厂采用火焰矫正的办法来纠正板材波浪变形，针对不同结构和不同部位的波浪变形要选择不同的加热方法（主要有点状加热、线状加热、三角形加热）（见表1）。 4.1.3 火焰矫正法注意事项 （1） 先了解被矫正结构材料的性质。实践证明火焰矫正基本上对碳钢与低合金钢的性能没有不利影响，可以放心地使用。但对于某些材料如具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材则不适用，具体操作时应引起重视。 （2） 加热火焰一般采用中性焰，采用氧化焰虽加热速度提高，但对工件表面有损伤作用。 （3） 露肋处建议火工后自然冷却，不用冷水浇。尤其是高强度钢，要尽量避免采用水冷方法矫正变形。 4.2 消除焊接残余应力的方法 4.2.1 锤击法 其特点是：每焊一道焊缝就立即用小圆锤迅速敲打焊缝表面，由于频繁锤击焊缝表面，便会产生一种塑性伸展，使该处的表面残余拉伸应力被部分释放，从而起到消除应力的作用，但锤击时要注意均匀、适度，避免产生新的裂纹。在多层多道焊时，第一层及最后一层一般不锤击，这样可以防止产生根部裂纹及保证焊缝表面的质量。 这种方法简单方便实用，在船舶焊接中被广泛应用。 4.2.2 局部回火法 对焊缝周围进行局部加热，以此来消除部分内应力或降低内应力的峰值。 该办法在船舶铸钢件修补或与钢板焊接时经常使用，实践中经常结合焊前预热则效果更佳。但是