控制船体结构焊接变形技术的研究

摘要：船体焊接变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，它影响着焊接结构的制造过程和船体焊接结构的使用性能。控制焊接变形技术对焊接结构的制造和使用有重要意义，文章详述了控制焊接变形技术，从而有助于更好地提高焊接质量。

关键词：船体结构；焊接变形；焊接裂纹

中图分类号：U671 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0017-02

1 概述

焊接技术是一门重要的金属加工技术，应用广泛，在船舶制造、机械加工等领域都能用到。尽管焊接技术在造船行业发展很快，自动化程度也越来越高，然而，焊接过程中的焊接结构残余变形是避免不了的。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是船舶结构早期失效的主要原因，也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一。焊接变形在焊接结构中的分类是很复杂的，按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形，按变形的外观形态可分为五种基本形式，即收缩变形、扭曲变形、角变形、波浪变形和弯曲变形。

焊接变形的存在严重影响着船体焊接结构的制造过程和它的使用性能。日本学者早在20世纪50年代就开始研究焊接变形。近些年来，我国对于焊接变形控制的研究也越来越重视。因此，控制船体焊接变形方法的研究已成为船舶生产中迫切需要解决的重要课题。

2 控制船体焊接变形的方法

多种因素交互作用造成了焊接变形，在船体焊接过程中形成焊接变形的两个基本原因是热应变、塑性应变，因此无论从理论上还是实际操作中，在船体焊接制造中焊接变形是不可避免的。实际生产中常采取的预防控制焊接变形的措施基本上围绕着材料、结构和工艺。近些年来，焊接设备的快速发展对于控制焊接变形也有着重要的作用。

2.1 船体设计方面

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，首先在设计方面，在保证结构有足够强度的前提下，尽量减少焊缝的长度，合理选择坡口形式；对称布置焊缝；适当采用冲压件，以减少焊缝的长度；使用装卡器具装配，以提高装配质量。

2.2 良好的施工工艺

具体来讲在施工工艺上应从以下五个方面考虑。

2.2.1 选择合理的装配和焊接程序：

（1）预伸缩。对于大型船结构的焊接应从中间向四周对称进行。如工字梁在对焊接时，无论先焊面板或是腹板的接头，横向收缩会在角焊缝内引起很大应力，甚至产生裂缝，所以应设法使它能自由收缩。为此可采取将角焊缝留出一段后焊，使对接接头的横向收缩能自由地进行。如图1所示，先焊对接焊缝1，后焊角焊缝2。

（2）收缩量大的焊缝先焊。对带筋板的工字梁，如先进行面板和腹板的焊接，再焊筋板的角焊缝，则由于角焊缝的横向收缩很大，会在面板和腹板的角焊缝内造成很大的焊接应力。如图2所示为带盖板的双工字梁结构的焊接顺序，应先焊盖板上的对接焊缝1，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2。

（3）采取对称焊接。对于刚性大而断面对称的构件，施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。对称布置的焊缝，应采用双数焊工对称的方式进行焊接。

（4）采用焊缝的不同焊接法。在焊接长焊缝（≥1m）时，可采用分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.5～1m）的焊缝可采用分中对称焊法。如图3所示为长焊缝的焊接顺序。

图1 对接焊缝与角焊缝交叉 图2 带盖板的双工字梁结

构焊接顺序

图3 焊缝的不同焊接法

2.2.2 预制反变形法。所谓反变形法，就是根据焊后变形的情况，预先给以一个方向相反、大小相等的变形，使构件焊后变形很小甚至完全消失，如图4所示。采用此法时，应预先确定反变形的数值，以便达到消除焊后变形的目的。反变形的数值，一般是凭经验进行估算。

2.2.3 刚性固定法。由于刚性大的船体构件焊后变形小，因此，如果焊前加强构件的刚性，同样也可以减小焊接变形。所以，刚性固定法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。此种方法对角变形和波浪变形比较有效。

2.2.4 预热法。由于焊接变形是焊接热的不均匀所致，采取适当的预热即是控制焊接裂纹产生的基本方法，也是减少焊接变形的有效措施。预热温度的大小主要根据焊件的材料性质、厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。

图4 反变形法

2.2.5 散热法。散热法又称强迫冷却法，是将散热物体放置在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域，使变形减小。但是，这种方法对淬火倾向较大的材料易产生冷淬而出现焊接裂纹。如图5分别为水浸法散热、喷水法散热和散热垫法散热。

图5 散热法示意图

3 结语

在船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只要采取有效的方法和措施，如选择合适的材料，优化焊接工艺等，从而控制焊接变形，满足船舶强度和使用性能要求，达到良好的经济效益。本文主要讨论了焊接变形的控制措施，让参与船舶建造者更好地认识焊接变形，从而针对船体构件建造过程中各个阶段的特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低或消除焊接变形的目的，提高船舶建造的质量。

参考文献

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作者简介：许志荣（1976—），女，河南洛阳人，常州信息职业技术学院机电系讲师，研究方向：材料加工工程、热加工工艺。