探讨船体结构焊接变形的控制与火工矫正

杨波涛

摘要：轮船作为一种较为常见的交通出行方式，以其大载重量优势得到了人们的喜爱和欢迎。造船行业作为市场经济持续增长中重要组成部分，在人均物质生活水平显著提升背景下，水路出行愈加受欢迎，相应带动了造船业的发展，呈现良好的发展前景。在这样的背景下，对于造船工艺提出了更高的要求，尤其是在船体结构焊接中，可能由于種种客观因素影响，缺少合理有效的控制导致造船中出现结构焊接变形问题，主要是由于在结构熔化热输入不均匀，导致结构内部应力反应影响到热源周围金属运动情况，进而出现结构焊接变形问题，影响到造船质量。故此，本文就船体结构焊接变形的控制进行分析，结合实际情况，针对变形问题寻求合理的火工矫正方法，尽可能降低变形问题对船舶制造质量带来不良影响。

关键词：船体结构；焊接变形；控制；火工矫正

船舶内部结构较为复杂，在船舶制造中主要是通过焊接融合方式将船体结构连接在一起，通过电能和焊接设备将母材与焊剂融合在一起，实现船舶结构焊接处理。在船体结构焊接过程中，由于热输入不均匀可能导致结构温度力场变化，吸热后将会发生碰撞，进而导致结构局部受力不均匀，产生较强的焊接应力。如果这种焊接应力无法得到有效释放，将会对焊接结构产生作用力，结构局部变形，结构精度和强度不符合设计要求，结构不稳定，带来严重的后果。同时，还会导致装配精度不高的问题，船体结构发生振动，影响到船舶制造质量。如果这样的船舶投入使用，将会产生严重的安全隐患。故此，针对船舶结构焊接变形问题，就需要选择合理的方法予以矫正，火工矫正方法可以有效满足这一要求，缩短船舶制造周期，降低成本，提升制造质量和效率。由此看来，加强船体结构焊接变形控制研究很有必要，有助于改善其中存在的不足，为后续工作提供一定的参考。

一、船舶结构焊接变形的原因

船舶结构焊接变形问题较为常见，将严重影响船舶制造质量。在船舶结构焊接中，由于焊接中热输入不均匀，产生的焊接应力可能导致结构焊接发生变形问题。热输入主要是通过制造因素、材料因素和结构因素形成的拘束度，对热源周围的金属运动带来影响，致使焊接应力的出现，结构焊接发生变形现象。对于结构焊接变形问题来看，影响因素较为多样，材料因素是由于材料性能指标不可以由于认为方式而变化，制造因素则是受到人为因素影响发生变化，是可以改变的，由于设计不合理导致的结构问题出现[1]。结构焊接变形的因素较为多样，关键性因素是由于在焊接过程中焊接构件刚性条件和热变形导致，焊接中由于热变形对构件的刚性产生一定的制约作用，出现焊接变形。同热变形相关联的因素除了以上几种以外，焊接工艺、焊接参数、焊缝数量以及材料性能都存在一定的影响。在制造加工中，焊接是一个十分重要的过程，同时也是一个复杂的过程，对于结构焊接变形的因素很多是不可预计的，结合主要因素选择合理措施予以调节，实现结构焊接变形的有效预防和控制，保证，船舶制造质量[2]。

总的说来，焊接过程中由于焊接结构残余应力，除了导致焊接结构变形以外，还会出现不同程度上的尺寸精度下降和承载力下降的问题，作业负荷增加的同时，附加弯矩和应力过于集中，可能导致船舶结构不合理，整体强度和稳定性下降。焊接变形根据不同的变形形态，具体可以将其分为扭曲变形、收缩变形、波浪变形、角变形和弯曲变形几种。

日本对于船舶结构焊接变形的研究起步较早，在上个世纪50年代起就开始研究，并且重视程度不断提升，而我国是近些年来开始关注和重视船舶结构焊接变形问题，如何能够寻求合理的船舶焊接变形方法显得十分关键[3]。

二、船舶结构焊接变形的控制方法

船舶结构焊接变形问题产生的后果是十分严重的，将直接影响到船舶的整体制造质量，埋下一系列安全隐患，这就需要在船舶制造中加强船舶结构焊接的控制，尽可能避免变形和裂缝问题出现，提升船舶结构焊接质量，满足船舶制造标准。此外，由于船舶结构焊接变形可能带来严重的后果，这就需要加强船舶制造的结构焊接变形控制，预防超标准变形问题的出现[4]。基于此，在船舶结构焊接变形控制中，控制方法主要表现为以下几种。

（一）合理的焊接顺序

在船舶结构焊接中，为了避免船舶结构焊接变形出现，应该结合实际情况来确定合理的焊接顺序。焊接平面上的焊缝要具备自由伸缩性能，诸如在对接焊缝焊接中，要求焊接方向朝向自由端；收缩量较大的焊缝首先焊接处理，如果结构上存在对接焊缝，尽可能选择焊接收缩量较大的焊缝；加工作业中，首先选择较大的焊缝进行焊接，确保内应力合理的分布；对接焊缝交叉焊接中，应该选择合理措施来优化焊接顺序，避免交叉点出现焊接缺陷，影响后续焊接活动的有序开展。对于T型焊缝焊接处理中，首先要求焊接人员能够将交叉区域清理干净，只有这样才能保证T型焊缝自由伸缩，避免焊缝交叉处出现裂纹问题，影响到焊接质量[5]。

（二）优化焊接结构设计

在船舶结构焊接设计中，为了能够有效提升焊接质量和效率，应该注重构件稳定性的提升，对构件性能进行审核与校验，避免波浪变形问题出现；同时，优先选择型钢材料，代替传统的钢板材料，同时注重钢板材料的合理利用，有效减少焊缝数量；选择较小的焊缝尺寸，保证船舶结构性能符合实际要求的同时，优化加工工艺；为了有效避免焊接产生变形问题，应该严格遵循技术标准，控制焊缝和截面中性轴对称，优化对称截面结构[6]。

（三）优化选择合理的焊接工艺

在船舶结构焊接变形控制中，为了能够有效提升控制成效，应该从以下几个方面着手：（1）结合实际情况，选择合理的焊缝尺寸，如果焊缝尺寸增加，相应的变形程度也将随之增加，但是焊缝尺寸过小可能会对结构整体承载能力产生影响，进而加剧焊接接头冷却速度，热影响区硬度不同程度上增加，可能出现裂缝现象，影响到船舶制造质量[7]。故此，应该在尽可能满足结构焊接质量和承载力要求基础上，根据板的厚度来选择合理的工艺，在可接受范围内尽可能选择较小的焊缝尺寸。（2）减少焊缝数量，合理控制板的厚度，降低焊缝和焊接变形带来的不良影响，也可以通过压型结构，改善传统肋板结构存在的缺陷和不足，提升结构稳定性，减少焊接数量，尽可能避免船舶结构焊接变形现象出现。（3）合理选择焊缝位置，焊缝和焊件截面中性轴对称，这种设计可以有效降低焊接变形问题出现，提升焊接质量；（4）收缩余量的预留控制，焊件焊接处理后，可以通过焊缝收缩量来估算纵向与横向收缩变形程度，这就需要在船舶结构焊接设计中预留收缩量，加强焊缝的控制成效。同时，还要预留装配焊接卡具的位置，便于后续焊接过程中可以使用夹具有效避免变形现象出现[8]。

（三）反变形法

（1）对于板厚在8mm～12mm钢板单边V型坡口对接焊中，要求在装配时采用反变形1.5°焊接，这样焊接处理几乎不存在角变形问题。（2）工字梁焊接处理后，由于横向收缩可能导致角变形问题，可以通过在焊接前对上、下盖板进行处理，压成反变形，装配后进行焊接，这样可以有效避免上、下盖板后出现变形问题。但是需要注意的是，上、下盖板自身的反变形量大小同盖板厚度存在密切联系，腹板厚度和热输入同样会对上、下盖板反变形量大小产生一定影响[9]。（3）集装箱船的管接头更多的是集中在上部结构，通过焊接处理后管接头发生不同程度上的弯曲变形，可以通过强制反变形夹紧装置予以处理，使用交替跳焊法，受到外力作用下的弹性反变形，同时优化受热焊接顺序，焊接处理后可以有效改善弯曲变形现象。（4）线型放样中，结合以往的实践工作经验，可以在纵向每档肋距增加1mm焊接收缩量，横向增加0.5mm焊接收缩量，通过这样的设计可以更有效的解决总设计中的不足和缺陷，提升设计合理性。

（四）刚性固定法

船舶结构焊接之前，为了避免变形问题出现，应该对焊件进行外加刚性拘束，避免焊接时焊件自由变形。如，在法兰焊接中，可以将法兰背对背固定，这样的设计可以有效避免焊接角变形问题出现；薄板对接中，何时使用压铁，避免薄板焊接处理后出现波浪变形问题。需要注意的是，焊接后，即便是去除外加拘束度，仍然会有少部分的残余应力导致变形问题出现，但是较之以往要大大减少。此种方法可以产生较强的焊接应力，所以在实際应用中应该慎重选择，尤其是焊接后很容易断裂的材料焊接处理中，结合实际情况选择[10]。

（五）散热法

散热法是在船舶结构焊接变形控制中一种较为常见的方法，实际应用中主要是通过冷却方式将焊接区域的热量吸收，有效降低受热区域面积，以此来避免变形问题的出现。但是需要注意的是，尽管散热法可以有效避免焊接变形，但是在焊接淬硬性较高的材料中并不适用，反而会产生不良效果，影响到焊接质量[11]。

（六）自重法

自重法的应用，主要是根据构件自重来消除弯曲变形现象。诸如，工字梁上的焊缝数量较多，上部焊缝数量要远远高于下部焊缝数量，通过焊接处理后工字梁朝上发生弯曲。如果工字梁放置在支墩端点，借助梁自重弯曲来抵消焊接后的弯曲变形量，经过一段时间后，将会变得更加平直，有效避免船舶结构焊接变形出现。

三、船舶结构焊接变形的火工矫正

在船舶结构焊接处理后，焊件可能受到种种客观因素影响出现弯曲变形，这就需要结合实际情况，通过火工矫正方法来改善弯曲变形问题。火工矫正法是焊后矫正措施中应用较为广泛的一种，由于PSPS涂装工艺无法满足实际要求，就需要通过整体火工校正处理，但是需要将面积控制在合理范围内[12]。对于船舶结构局部的焊接变形问题矫正，通过对焊接构建局部加热处理，温度升高后材料热膨胀性能发生变化，受到构件自身刚性作用和影响，发生局部压缩塑性变形现象，强制冷却后发生不同程度上的收缩，抵消原本的弯曲变形程度，实现对变形现象的矫正。

（一）圆正法

此种方法主要是采用氧-乙炔焰圆环在焊接变形区域均匀滑动，形成更加均匀的加热点。当火圈温度超过800℃，强制性冷却圆点中心，火圈呈现暗红色后停止冷却，继续加热呈现红色后，使用冷水强制性冷却，直到变形区域调平结束这一循环过程。通过此种方法来校正的板材，应该注意不可以在变形最高点放置火圈，否则将会对矫正质量产生不同程度上的影响。故此，需要从变形程度较小的区域逐渐朝着变形大的区域推进，在逐步推进中可以有效降低对变形最严重区域的干扰。结合以往的实践工作经验可以了解到，火圈的直径需要结合实际情况予以确定，火圈直径过大可能导致褶皱现象出现，过小则会导致刚性过大产生不同程度上的应力，甚至会导致平面出现裂纹。

（二）条状加热矫正法

条状加热矫正法在实际应用中，主要是通过粗线条装的加热轨迹，利用氧-乙炔焰直线运动，加热痕迹为粗线条装，在实际应用中同样可以有效改善其中存在的变形现象，特点较为突出，横向收缩量要远远高于纵向收缩量。所以，如果此种方法运用合理，只需要较小的加热面积，即可获得可观的加热效果，有效提升矫正效率和质量。

（三）格状加热矫正法

此种方法在实际应用中，是在反复多次的条状加热处理基础上形成网格状，强制性使用冷水对轨迹线进行冷却处理，实现变形出的冷却处理目的。除此之外，还可以通过冲击能来校正，同样可以获得可观的成效，不需要对结构件加热即可有效解决变形问题，提升船舶造船质量。

结论：

综上所述，船舶制造中可能由于种种客观因素影响，导致船舶结构焊接变形问题出现，影响到造船质量。故此，需要结合实际情况，选择合理的方法予以矫正，充分发挥火工矫正方法优势和作用，缩短船舶制造周期，降低成本，提升制造质量和效率。

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