船舶焊接變形分析與控制

耿 瑞，劉志鵬，劉仕豪

（大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026）

0 引言

當前，焊接工藝被廣泛應用船舶建造的多個環(huán)節(jié)。而在船舶焊接過程中，焊接引起的變形會對接口處的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，降低船體部件的實際強度和船舶制造的精確度，進而影響船體的整體質(zhì)量。因此，對于船舶焊接引起的變形問題，要深入研究成因，分析影響因素，以便采取多種有效方法綜合作用，更大程度減小焊接變形，提高焊接質(zhì)量[1]。

1 船舶焊接變形成因分析

船舶建造焊接主要包括冷軋鋼板、熱軋鋼板和型鋼的焊接。在焊接過程中產(chǎn)生的熱應力、外力干擾和殘余應力是引起船體結(jié)構(gòu)變形的主要原因。在實際焊接過程中，高溫電弧產(chǎn)生的熱使得金屬材料被作業(yè)區(qū)域的溫度升高，出現(xiàn)熱脹現(xiàn)象，金屬材料自身的未作業(yè)區(qū)域金屬對于這種熱脹作用具有抵制作用，使鋼板焊接位置和周圍區(qū)域之間發(fā)生壓縮形變（見圖1）。

圖1 焊接產(chǎn)生的多種變形

焊接引起形變的另外一個原因是焊接殘余應力的產(chǎn)生。焊接結(jié)束后，作業(yè)處金屬開始冷縮，但是其他未進行焊接作業(yè)的常溫金屬會對其產(chǎn)生抑制作用，使得接觸區(qū)域產(chǎn)生焊接殘余應力，因此形成焊接變形。

2 船舶焊接變形的影響因素

將2塊構(gòu)件的結(jié)合區(qū)域通過高溫高熱快速融化，冷卻后合為一體的過程就是焊接工藝。而在此過程中，高溫會使得金屬材料局部升溫，在熱脹冷縮的原理作用下產(chǎn)生焊接變形。同時，由于采取的加熱和冷卻方法時間較短，材料局部的熱變化速度較快，構(gòu)件其他區(qū)域?qū)附犹幍呐蛎浐褪湛s變形施加的剛性條件約束較強，會使其產(chǎn)生塑性變形。因此，熱應變和塑性應變是船體焊接變形產(chǎn)生的2個重要原因，分別在焊接作業(yè)過程中和焊接作業(yè)后產(chǎn)生作用。在實際生產(chǎn)中，主要研究焊接材料、結(jié)構(gòu)以及焊接工藝程序等因素對焊接變形產(chǎn)生的影響。

2.1 材料對焊接變形的影響

焊接材料本身的物理屬性、機械性能對于焊接變形的大小有著重要的影響。其中，熱導率是金屬材料熱物理屬性中影響焊接變形的主要因素。大多數(shù)情況下，隨著熱導率減小，溫度梯度將增大，進而使得材料產(chǎn)生較大的焊接變形。在材料機械性能方面，焊接材料的變形量與材料熱膨脹系數(shù)正相關，因此，受熱膨脹是對焊接變形產(chǎn)生影響的另一重要原因。除此之外，影響焊接變形的因素還包括材料的彈性模量和屈服極限。在高溫時，彈性模量越大，焊接變形就越小。屈服極限越高，材料中產(chǎn)生的殘余應力越大，進而使得焊接結(jié)構(gòu)中具有較大的變形能量，脆性應變較大，塑性應變較小，因此所導致的焊接變形也就會相應減少。

2.2 結(jié)構(gòu)對焊接變形的影響

作為影響焊接變形的關鍵因素，良好的船體結(jié)構(gòu)布置，較強的結(jié)構(gòu)約束，能夠顯著提升材料焊接過程中的抑制變形能力，從而減小由于焊接快速升溫、冷卻而產(chǎn)生的變形，在焊接變形中起主導作用。因此，在焊接結(jié)構(gòu)的設計中，要充分考慮通常情況下結(jié)構(gòu)復雜性與本身具有的約束力之間的關系。詳細來講，主要包括肋骨、加強板、加強筋和肋板的設置位置和數(shù)量以及板厚數(shù)據(jù)等對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性所造成的影響，形成的不同強度約束將對焊接變形大小產(chǎn)生重要作用。

2.3 工藝程序?qū)附幼冃蔚挠绊?/h3>

1）焊接方式與焊接工藝參數(shù)

焊接厚度基本相同的材料時，分別使用單層焊接和多層焊接，前者在縱向形成的收縮量相較于后者更大。因為在使用多層焊接時，先行焊接的部位先冷卻，對后期焊接部位的收縮起到了抑制作用。因此，在實際生產(chǎn)中，應用不同類型的焊接方式，產(chǎn)生的收縮量會有很大的差異。同樣，比較直通焊接和逐步焊接，由于逐步焊接過程中能夠保持較為均勻的焊接溫度，其形成的壓縮變形更為分散，產(chǎn)生的收縮更小。

另外，線性的能量是焊接工藝參數(shù)中對焊接變形產(chǎn)生影響的主要來源。焊接電流和電弧電壓的增大和焊接速度的降低都會導致線能量增加，則塑性變形區(qū)域的壓縮力增大，塑性變形區(qū)域擴大，實際產(chǎn)生的收縮量即隨之更大。

2）焊縫長度、橫截面積及焊縫在船體結(jié)構(gòu)中的位置

通常情況下，構(gòu)件的焊縫在縱向上的收縮量隨著長度的增加上升，其在橫向上的收縮性和材料厚度、接口形式以及鋼板接頭方式均有關系。焊縫收縮量的增減和焊縫寬度值的大小成正比例。在手動焊接過程中，鋼板厚度嚴重影響焊接收縮量，鋼板越厚，收縮量越大，和運用自動焊接時差異明顯。對于相同厚度鋼板，V型坡口相較于X型坡口，其收縮量更大。因此，焊縫的長度和寬度對于焊接變形的影響比較明顯。焊縫的長度和寬度越大，則相應的縱向與橫向收縮量越大[2]。

除此之外，還需要引起注意的是焊縫設置部位對焊接變形產(chǎn)生的影響。主要根據(jù)焊縫是否沿結(jié)構(gòu)中心線對稱布設分為兩種情況。倘若焊縫滿足對稱布設要求，則焊接過程中會在縱向和橫向發(fā)生縮短，產(chǎn)生的變形比較單一。相反，焊縫位置沒有沿結(jié)構(gòu)中心線對稱布設，則除了產(chǎn)生縱向和橫向的縮短，還會額外引起彎曲變形。而彎曲變形的程度主要由焊縫與部件和部件中軸的距離來決定，因為距離越遠，材料焊接后產(chǎn)生的收縮力和應力越大。

3）裝配和焊接程序

船體構(gòu)件的裝配和焊接，需要分成許多工序進行。在此過程中，工序的不同會導致構(gòu)件變形的程度不同。在進行焊接以及裝配時，大部分構(gòu)件先進行裝配之后再焊接能夠有效減少彎曲變形，但是對于一些受其他限制的特定構(gòu)件，只能夠采用裝配與焊接同時進行的方法。

3 船舶焊接變形的控制與矯正

3.1 焊前預防

所謂焊前預防，一方面是采取對材料提前進行預熱的方法來實現(xiàn)減少焊接變形的目的，其原理是由于焊接前的材料溫度提高，焊接時的溫度梯度被進一步降低，使得焊接變形產(chǎn)生的殘余應力減小。而另一方面是提前預測焊接變形的大小和方向，以此為依據(jù)在焊接之前人為造成與預測的焊接變形結(jié)果相反的變形，使其與而后進行的焊接過程產(chǎn)生的變形相互抵消，最終達到減小焊接變形的效果。

在船廠實際施工中，經(jīng)常采用剛性固定法固定焊接構(gòu)件，從而控制變形。

相比于自由狀態(tài)下的焊接，通過這種剛性固定焊接方法，焊接所產(chǎn)生的局部變形減小。因此，各種形式的剛性固定法被廣泛使用于船體裝配各類構(gòu)件的焊接之中。如臨時加強筋板，臨時點焊加強角鐵，分段四周定位焊，船體分段和胎架螺栓連接，各種直線拉馬和弧形拉馬等[3]。

3.2 焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)方面，船體焊縫通常要根據(jù)結(jié)構(gòu)截面中性軸對稱布置，與截面中性軸的距離要盡可能的縮小，從而減小彎曲變形和避免焊接扭曲，對船體焊接變形進行更為有效的控制。同時，可以將船體分為若干小部件與船體分段以達到使焊接變形分散的目的，方便對焊接變形進行控制與矯正。對每一條主要焊縫，盡可能避免焊縫過分集中和交叉布置，為此要選擇小的焊腳尺寸和短的焊縫，并盡可能采用寬而長的鋼板或能減少焊縫數(shù)量的結(jié)構(gòu)形式(如槽形艙壁)。

3.3 焊接工序改良

在焊接工序方面，研究減小船舶焊接變形的方法，主要考慮焊接過程中焊縫形成受先前焊縫存在的焊接應力和變形的影響，以及后續(xù)焊縫產(chǎn)生的應力和變形與先期焊縫影響的相互作用。

在實際生產(chǎn)中，采用不同的焊件裝配和焊接順序，焊接結(jié)構(gòu)的剛性遞增情況不同，對焊接變形的影響也存在較大差異。因此要在分析比較之后，在保證可操作的前提下，選擇變形最小的裝配焊接順序。在生產(chǎn)中，首先進行小件組焊，再進行分段組焊，最后總體裝配，而后再焊，是船體構(gòu)件裝配焊接通常采用的順序。另外，要注意在采用點固焊裝配時保持合理的點距。船體構(gòu)件的焊接通常為長焊縫，若采用連續(xù)直通焊雖然效率較高，但其熱能輸入持續(xù)時間長，形成疊加效應，導致焊接變形量大。對于這種情況，可以使用分段焊和改變焊接方向的方法來減小焊接變形。

對于焊接順序的排列，通常先以焊縫收縮量為依據(jù)，收縮量大的先焊，收縮量小的后焊。同時，對于對接焊縫和角焊縫同時存在、橫向焊縫和縱向焊縫同時存在、厚板焊縫和薄板焊縫同時存在的3種情況，均是先焊前者，再焊后者，以達到最大程度減小變形的目的。

3.4 選擇合適的焊接方法與焊接參數(shù)

通過調(diào)整焊接方法與焊接參數(shù)來減小焊接變形主要在于減少熱能量的輸入。因此，在保證焊透的前提下，要盡可能降低熱能量輸入以減小焊接變形，所以要適當減小焊接電流，盡可能提高焊接速度。同時，較高的電弧電壓會導致電弧功率增大，提高焊接輸入的熱能量值，造成較大的焊接變形。因此，要在確保熔池寬度足夠的情況下盡量減小電弧電壓。對于中厚板件焊接有2種方法，一種是單道次、大輸入熱能量、一次焊透的方法，另一種是多層、多道焊。相比于前一種方法，后者可選用的電流更小，可以保持較快的焊接速度，這會使得焊接時的熱輸入能量維持在較低水平，從而減小焊接的橫向和縱向變形量。

電子束焊、激光焊接、窄間隙焊接等高能量密度焊接方法的焊接熱輸入相對低，焊接變形小。在一般生產(chǎn)中，可以廣泛使用二氧化碳氣體保護焊，在減小焊接變形的同時還可提高焊接效率。對于薄板焊接的壓曲變形，可通過采用鎢極脈沖氬弧焊或電阻焊有效防止[4]。

3.5 焊后矯正

雖然在船體建造時采取了多種方法對焊接變形進行控制，但很難實現(xiàn)完全控制。因此，需要對焊接構(gòu)件所產(chǎn)生的局部變形進行矯正。目前的矯正方法主要有火焰矯正法和機械矯正法。

火焰矯正分為整體矯正和局部矯正。兩者只是加熱部件的范圍大小不同，其原理一樣，都是利用熱脹冷縮的原理，先對金屬構(gòu)件進行連續(xù)加熱，待其材料冷卻后，加熱部位產(chǎn)生不可逆的塑性變形，從而實現(xiàn)對焊接變形構(gòu)件的矯正（見圖2）。相比于局部矯正，通過對構(gòu)件局部進行加熱，使其受熱膨脹的同時受到自身限制發(fā)生小范圍變形來抵消焊接變形，整體矯正的應用性不強。原因是由于其是對整個構(gòu)件進行的直接加熱，容易引起冶金副作用。

圖2 對角焊變形實施的火焰矯正

機械矯正法是焊接構(gòu)件發(fā)生壓縮塑性變形區(qū)域的金屬在機械外力的作用下得到伸展，通過減少或消除其塑性變形實現(xiàn)矯正變形的目的。但在機械矯正過程中容易引起金屬的冷作硬化，材料塑性儲備被消耗減少。因此，機械矯正法不能用于塑性較差或脆性材料，只能機械矯正塑性良好的材料。機械矯正法在實際生產(chǎn)過程中可以使用專用的大型油壓機、水壓機、頂床或人工利用大錘矯正。

船舶建造過程中影響焊接變形的因素多種多樣，焊接變形對船體建造產(chǎn)生的負面作用不可忽視。因此，要從材料處理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改良和焊接矯正等多方面發(fā)力，綜合采取措施，對焊接變形進行有效控制，提高船舶焊接質(zhì)量和建造精度，進一步增強我國船舶制造的工藝實力。