船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正

1、船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制與矯正摘要：船舶建造過程中的變形是一種常見現(xiàn)象，主要是由丁船體 結(jié)構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。 如不及時采取有效 措施， 會造成尺寸偏差、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強度降低等后果，給下一階 段的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導(dǎo)致工期延長，甚至無 法到達標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量要求。因此，研究焊接變形產(chǎn)生的 原因，采取正確的控制措施，合理的對變形進行矯正，對縮短船 舶建造周期，提高船舶建造質(zhì)量具有重要意義。關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu)，變形，控制，火工矯正；Abstract : In the process of shipbuilding deformation is a commonphen

2、omenon mainly due to the hull structure after welding in local andglobally deformation。If you dont take effectivemeasures , that willcause size deviation ,Structuralinstability , Strength etc。For the next stage ofwelding and assembly work very hard , Not only cause other extension,even cannot reach

3、standard stipulated quality requirements。Therefore,thewelding deformation causes,and take proper measures to control thedeformation correctionof reasonable to shorten the cycle of shipbuilding, improve shipbuildingsignificance。Keyword:hull structure,deformation,control,power fooling0前言隨著世界造船業(yè)的不斷開展，我

4、國已經(jīng)成為世界造船大國之 一。在船舶的建造過程中，新技術(shù)、新工藝不斷得到應(yīng)用，船舶 現(xiàn)代化程度也越來越高。但船體本身是特殊的，其外形是個空間 曲面，且船體主要是由焊接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在船舶建造和修理過 程中為了修正其結(jié)構(gòu)的變形，船廠通常采用火工矯正的工藝方法。 火工矯正是用火工對鋼材進行局部加熱進行矯正，利用鋼材熱脹 冷縮的特性，使加熱區(qū)域的膨脹受到周圍較冷區(qū)域的阻礙而發(fā)生的變形。在船體建造過程中，零件、部件及分、總段的加工，調(diào) 運、裝配及焊接時，特別是經(jīng)過焊接后，會產(chǎn)生各種各樣的變形, 當(dāng)變形超過一定數(shù)值時，必須隨時進行矯正，才能確保下道工序 的正常進行。1船體結(jié)構(gòu)變形原因及形式船舶建造過程中

5、的變形是一種常見現(xiàn)象，主要是由丁船體結(jié) 構(gòu)在焊接后產(chǎn)生的局部和整體變形所導(dǎo)致。 如不及時采取有效措 施， 會造成尺寸偏差、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強度降低等后果，給下一階段 的焊接和裝配工作帶來很大困難，不僅導(dǎo)致工期延長，甚至無法 到達標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量要求。因此，研究焊接變形產(chǎn)生的原 因， 采取正確的預(yù)防和控制措施， 合理的對變形進行矯正，對縮 短船舶建造周期，提高船舶建造質(zhì)量具有重要意義。產(chǎn)生焊接變 形最根本和最本質(zhì)的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛 性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件的約束，出 現(xiàn)了壓縮塑性變形。但凡與焊接熱變形和構(gòu)件剛性有關(guān)的各種因 素，都會對焊接剩余變形產(chǎn)生影響

6、。與熱變形有關(guān)的因素有焊接 工藝方法、焊接參數(shù)、焊縫數(shù)量和斷面大小、施焊方法、材料的 熱物理性能等，與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素有尺寸和形狀、胎夾具的 應(yīng)用、裝配焊接程序等。由丁實際生產(chǎn)過程中焊接是一個非常復(fù) 雜的過程，影響焊接變形的不可知因素很多，試圖完全消除焊接 變形是不可能的，只有根據(jù)焊接變形的根本原理及影響焊接變形 的主要因素，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，以到達預(yù)防和控制焊接變形 的目的。船體變形可大致分為整體變形，即整個結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生 了變化；另一類是構(gòu)件局部變形，它是指發(fā)生丁焊接結(jié)構(gòu)某部位 的局部變形。整體變形是由丁焊縫在各個方向收縮而引起的，包括收縮變 形，彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是由丁

7、焊縫的縱向和橫向收 縮造成整個結(jié)構(gòu)的長度縮短和寬度變窄；彎曲和扭曲變形是由丁 焊縫在結(jié)構(gòu)中布置不對稱時產(chǎn)生的，也可能由丁裝配質(zhì)量不好， 焊件擱置不當(dāng)、焊接程序和焊接方向不合理而造成的。 通常彎曲 變形、 扭曲變形與縱向和橫向收縮相伴而同時發(fā)生變化。局部變形包括角變形、波浪變形和錯邊變形。角變形主要由 丁溫度沿板厚方向分布不均勻和熔化金屆沿板厚方向收縮量不一 致而引起的，因此一般多發(fā)生丁厚板的對接街頭。波浪變形產(chǎn)生 丁薄板結(jié)構(gòu)中，它是由丁縱向和橫向的壓應(yīng)力使薄板失去穩(wěn)定而 造成的。錯邊變形主要是由丁組成焊件的兩個零件在裝火時夾緊 程度不一致或剛度各不相同或物理性質(zhì)不同，以及裝配不良或電 弧偏離坡

8、口中心等原因引起的。2焊接變形的預(yù)防與控制由丁焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們在船舶建造過程 中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變 形情況出現(xiàn)。產(chǎn)生焊接變形最根本和最本質(zhì)的因素是焊接過程中的熱變形 和焊接構(gòu)件的剛性條件，在焊接過程中熱變形受到了構(gòu)件剛性條 件的約束，出現(xiàn)了壓縮塑性變形。但凡與焊接熱變形和構(gòu)件剛性 有關(guān)的各種因素，都會對焊接剩余變形產(chǎn)生影響。與熱變形有關(guān) 的因素有焊接工藝方法、焊接參數(shù)、焊縫數(shù)量和斷面大小、施焊 方法、材料的熱物理性能等，與構(gòu)件剛性有關(guān)的因素有尺寸和形 狀、胎火具的應(yīng)用、裝配焊接程序等。由丁實際生產(chǎn)過程中焊接 是一個非常復(fù)雜的過程，影響焊接變

9、形的不可知因素很多，試圖 完全消除焊接變形是不可能的，只有根據(jù)焊接變形的根本原理及 影響焊接變形的主要因素，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，以到達預(yù)防和 控制焊接變形的目的。由丁焊接變形有可能造成的嚴(yán)重后果，我們在船舶建造過程 中必須做好對船體變形的控制，盡量減少變形，預(yù)防超標(biāo)準(zhǔn)的變 形情況出現(xiàn)。目前在實際生產(chǎn)中，主要應(yīng)用以下四種方法控制變 形。2.1正確的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計正確的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計是控制焊接變形與應(yīng)力最主要的方法之 一，正確的設(shè)計能夠有效的減少焊接變形。根據(jù)前人的總結(jié)經(jīng)驗 認為，焊縫設(shè)計原那么至少應(yīng)包括以下幾點：選用對稱截面的結(jié)構(gòu)，盡可能使焊縫對稱丁截面中性軸，避 免焊接后產(chǎn)生扭曲或較大彎曲變形;在

10、保證結(jié)構(gòu)承載能力條件下，綜合施工工藝的可能性，盡可 能選取小的焊縫尺寸；盡可能減少焊縫數(shù)量，優(yōu)先考慮型鋼代替鋼板，想方設(shè)法提 高鋼材的利用率;設(shè)計薄板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)校核和提高構(gòu)件的穩(wěn)定性，防止波浪變 形。2.2合理的裝配焊接工藝合理的裝配焊接法是另外一種控制總體和結(jié)構(gòu)變形的重要方 法。船體裝配應(yīng)盡可能地在無裝配應(yīng)力強制下進行。假設(shè)裝配應(yīng)力 過大，那么有可能在未焊接時即產(chǎn)生波浪變形，對薄板構(gòu)件的焊接 裝配尤其需要注意。焊接電流、焊接速度、焊接方向、焊接順序、焊接方法等都會對結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。針對不同的板材及焊接方 法，可選取不同的焊接電流與焊接速度，但焊接順序和焊接方向 一般來說具有一定的原那么性，

11、且對整個船體的變形影響顯著。整 體造船的常規(guī)焊接工藝程序是：先焊好骨架間的連接焊，焊好殼 板間的橫向焊縫、縱向焊縫，焊好骨架結(jié)構(gòu)與殼板問的連接角焊。 也有將殼板間縱向焊縫放到最后進行焊接的，這樣可以減少船體 縱向變形量，但增加了施工難度，對船廠施工工藝的要求較高。全船焊縫均應(yīng)由船中往兩側(cè)、由腫往艄1尾、由下往上焊接，以減 少焊接變形，消除焊接應(yīng)力，保證建造質(zhì)量。此外，應(yīng)盡量采用 線能量較低的焊接方法，用多層焊代替單層焊，也可顯著地減少 焊接變形。2.3反變形措施反變形措施也稱為變形補償控制，主要針對船體總尺寸的收縮變形及中垂或中拱進行變形量的彌補。目前主要采取的措施是在線型放樣中及胎架上施放反

12、變形量。根據(jù)經(jīng)驗，一般來說可在縱向每檔肋距加放1mr焊接收縮量，橫向每檔肋距加放0.5mm的焊接收縮量，可較好的抵消總尺寸的縮短；在每檔肋距施放1mm高度反變形，可較好地抵消船體中垂 或中拱變形。這兩種反變 形措施都具有良好的補償效果。2.4剛性固定法約束控制剛性固定法是將構(gòu)件固定在具有足夠剛性平臺或胎架上，待 構(gòu)件上所有焊縫冷卻后再去掉剛性固定的方法，一般在無反變形 的情況實施，多應(yīng)用丁各種船體構(gòu)件的施焊過程。采取這種措施 可使構(gòu)件的變形遠小丁自由狀態(tài)下焊接所產(chǎn)生的變形，特別用來 防止角變形和波浪變形效果明顯。3變形的火工矯正船體在建造過程中必然會產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后必須進 行矯正使之到

13、達質(zhì)量要求。實踐證明各種結(jié)構(gòu)變形的矯正方法的 實質(zhì)都是設(shè)法制造新的局部變形以抵消原來已有的變形。生產(chǎn)中 常用的矯正方法有機械矯正、火工矯正和綜合矯正，但是機械矯 正適合矯正小型的零部件，而對丁較大的分段變形的矯正，只能 由火工矯正來擔(dān)當(dāng)，因為火工正具有設(shè)備簡單、就地矯正、沖動 靈活等特點，所以目前被廣泛應(yīng)用丁生產(chǎn)中，所以下面就談?wù)劵?工矯正。火工矯正工藝是一種行之有效的矯正變形與消除剩余應(yīng)力的 方法。船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，就是利用金屆局部受熱后，所引起 的新的變形去矯正原先的變形。當(dāng)金屆局部加熱時，被加熱處的 材料受熱而膨脹，但由丁周圍溫度低， 因此膨脹受到阻礙， 此時 加熱處金屆受壓縮壓力，

14、當(dāng)加熱溫度為600C700C時，壓縮應(yīng)力 超過屈服極限，產(chǎn)生壓縮塑性變形。停止加熱后，金屆冷卻縮短， 結(jié)果加熱處金屆纖維要比原先的短，因而產(chǎn)生新的變形。3.1火工加工在船體建造中的作用在船體建造過程中火工是一項很復(fù)雜的工作，由丁整個船體 的外殼就是一個曲面結(jié)構(gòu)，因此，大多數(shù)的船殼板都有彎曲度， 其中不少的船殼板是雙向曲度板。這種雙向曲度板難以用冷加工 的方法到達成型的目的。在實際生產(chǎn)過程中為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量， 降低本錢，提高進度等原因，只能用火工加工的方法。鋼板經(jīng)加 熱，在一定的溫度下，使鋼板的纖維組織重新排列而到達成形的 目的。在船體建造過程中，零件、部件及分段的加工、吊運、裝配 及焊接等各

15、道程序后，其中特別是經(jīng)過焊接后，會產(chǎn)生各種各樣 的變形。當(dāng)變形量超過一定的數(shù)值時，必須立即進行矯正，才能 確保下道工序的正常進行。在船舶航行中， 經(jīng)常會發(fā)生意外事故， 使船殼板因受外力而 產(chǎn)生局部“癟坑。由丁這些變形不需將整張殼板調(diào)換，故也常用 火工進行局部加熱，然后施加外力使其恢復(fù)原狀。因此，在船體 建造過程中，不管是鋼板的加工或是矯正都離不開火工。船體結(jié)構(gòu)的火工矯正，從本質(zhì)上說，是船體零件局部熱加工 的逆過程。盡管他們的約束條件有所不同，但根本原理是一直的。 火工矯正的過程，就是熱處理方法使舊的永久變形轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠?久變形的過程。要到達上述目的，必須在構(gòu)件上補充局部的加熱面積。結(jié)果， 加熱

16、局部金屆在熱循環(huán)過程受熱膨脹并隨之而來的冷卻收縮 中形成不可逆的塑性變形，因而在過程終了后，在加熱區(qū)外部產(chǎn) 生極大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力的作用，使已經(jīng)變形的結(jié)構(gòu)恢復(fù)平 直。結(jié)構(gòu)的矯正質(zhì)量和矯正效果，在很大程度上就取決丁這種拉應(yīng)力大小及其分布情況。決定火工矯正效果的因素主要是加熱的位置和加熱的熱量。不同的加熱方法可以矯正不同類型和不同方向的結(jié)構(gòu)變形。不同 熱量，可以獲得不同的矯正變形能力。一般情況下，如果加熱位 置正確，熱量越大，矯正能力越強，矯正變形量越大。3.2火工矯正的主要方法3.2.1火工矯正的加熱方法一般情況下，火工矯正的加熱處總在焊縫對稱的反面，對稱 丁變形構(gòu)件斷面的中和軸。加熱時火焰

17、的特性、焰嘴的上下、孑L徑的大小、加熱速度等，與矯正變形的效果有著密切的關(guān)系，目 前，常用的加熱氣體為氧-乙快氣和氧-丙烯氣。下面介紹氧-乙快焰。火焰的特性：氧-乙快產(chǎn)生的火焰，有乙快過剩焰、中性焰和 氧氣過剩焰。火工矯正一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有10 20mnfe固定的白色亮點，并能活晰看到的這個白色的亮點。焰心距離：焰心的距離是指火焰的白亮點到鋼板外表的距離。加熱效率最高的地方，也就是溫度最高處是離白亮點末端310mm的地方。所以，焰心與鋼板的距離大小直接影響到加熱的速度和 溫度。鋼板厚度與焰心距離的參考數(shù)據(jù)可參考下表：表一板厚與焰心距離單位mm鋼板厚度34.56810 1416

18、2224 2830焰心距離2000334456103.2.2火工矯正的冷卻方法火工矯正的冷卻方法分空冷和水冷兩種?？绽洌簶?gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后在空氣中自然冷卻，這種冷 卻速度較慢，僅適應(yīng)丁某些特殊要求的鋼材或冬季施工時。水冷：構(gòu)件的加熱區(qū)，經(jīng)加熱后緊接著澆注冷水進行冷卻。這種冷卻能夠加快冷卻速度，提高矯正效率。水冷乂分為正面跟 蹤水冷和反面跟蹤水冷兩種。特別應(yīng)注意的是采用水冷之前必須 確認被矯正的構(gòu)件材料是否允許水冷。圖一3.2.3火工矯正的主要方法在施工實踐中，要想使火工矯正取得理想的效果，根據(jù)結(jié)構(gòu) 特點和變形情況，分析變形的原因，確定不同的火工矯正方法。 最根本的加熱矯正方法有點狀加熱矯正

19、法、線狀加熱矯正法和三 角形加熱矯正法，有時候還需要同時采用兩種或兩種以上的矯正 方法。在此根底上，經(jīng)過演變火工矯正的方法歸納為以下常用的幾種方法。表二 火工矯正的加熱方法方法優(yōu)缺點、適用范圍線狀加熱法加熱線克度般為鋼板厚度的0.52倍，矯正 質(zhì)量好、效率高，適用丁矯正板架、變形“瘦馬變 形，板架的起伏波浪變形等.點狀加熱法各點直徑TK不小丁15mm袤形量越大，點與點 距離越小，一般為50100mm加熱參數(shù)易掌握、但速 度慢、工效低.三角形加熱法適用丁矯正較大構(gòu)件的彎曲變形.3.3火工矯正原理1利用長條形加熱線橫向收縮比縱向收縮量大的原理進行矯 正；2利用溫度沿板厚方向形成梯度分布從而導(dǎo)致熱塑

20、變形的梯 度分布的原理進行矯正。例如：對板的角變形的矯正，千萬不要 透燒，否那么削弱梯度分布，對矯正效果不利；3利用長條形加熱橫向塑性變形起點與終點變形量的差異進 行矯正。一般把變形量大的一端放在加熱線的終端，而非始端；4利用剛性約束能加大熱塑變形量的原理進行矯正。如果取 水冷卻的火工矯正方法，讓周圍的金屆盡量保持冷卻以提高周圍 約束的剛性，從而增大矯正效果；5利用預(yù)應(yīng)力進行矯正。如果用輔助工夾具等，以使冷金屆 區(qū)域預(yù)先有一個附加的應(yīng)力壓縮加熱區(qū)金屆，促使壓縮應(yīng)力提早 到達屈服點，而加快熱塑變形以增大矯正效果。3.4火工矯正參數(shù)1火工矯正參數(shù)包括火焰性質(zhì)、火焰功率、加熱溫度、加熱 區(qū)規(guī)格、火焰

21、至工件外表距離；火焰一般采用氧 -乙快焰。2鋼板四邊波浪變形時，加熱長度一般為板寬的1/21/3,加熱距離視變形越大，距離越近，一般50200mm矯正厚鋼板彎 曲變形時，加熱深度不超過板厚的1/3。3加熱點至工件外表的距離應(yīng)以能獲得最高的熱效率為宜。 水火矯正厚度為56mm岡板時，水火間距離為約2530mm4低碳鋼火焰矯正時， 常采用600C800C的加熱溫度， 一般不 超過850C。3.5矯正的原那么性要求根據(jù)結(jié)構(gòu)材料性能、變形情況及技術(shù)要求，選擇合理的矯正 方案和矯正參數(shù)，不宜在結(jié)構(gòu)上形成剛性很大的封閉式加熱圈。 為了防止由丁局部加熱而引起立體分段或全船總變形，矯正操作 應(yīng)盡可能對稱丁船體

22、中線面和剖面中和軸同時進行；在高度方向 那么應(yīng)自下而上進行。在矯正兩個相鄰的剛性不同的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)先 矯正剛性較大的結(jié)構(gòu)，即先矯正厚度或構(gòu)件截面較大結(jié)構(gòu)。在矯 正幾幅毗鄰并列的變形時應(yīng)間隔一幅“跳格進行，這樣間隔幅 度內(nèi)的變形撓度會因兩毗鄰板幅的收縮而減小，有利丁加速矯正。 在矯正板架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)先矯正骨材的變形，后矯正板壁的變形。 板架中間有不同方向的變形時，應(yīng)先矯正凹入骨架方向的變形， 后矯正凸出的變形。在矯正具有開孔或自由邊緣的板架結(jié)構(gòu)時， 應(yīng)先矯正板架結(jié)構(gòu)的變形，后矯正開孔或自由邊緣的變形。上層 建筑倒裝分段離胎架前，應(yīng)先將上口矯平直并加強；船臺矯正上 層建筑內(nèi)部圍壁的變形前，應(yīng)先矯正圍壁上、下甲板變形。在矯正船體外板變形時，水線以下應(yīng)盡量減少加熱面積。當(dāng)矯正厚板 的加熱速度