船体结构焊接变形控制、矫正方法摘要：船舶建造过程中的变形是一种常见现象，主要是由于船体 结构在焊接后产生的局部和整体变形所导致。如不及时采取有效 措施，会造成尺寸偏差、结构失稳、强度降低等后果，给下一阶 段的焊接和装配工作带来很大困难，不仅导致工期延长，甚至无 法达到规范、标准规定的质量要求。因此，研究焊接变形产生的 原因，采取正确的控制措施，合理的对变形进行矫正，对缩短船 舶建造周期，提高船舶建造质量具有重要意义。关键 词：船体结构，变形，控制，火工矫正；0前言随着世界造船业的不断发展，我国已经成为世界造船大国之 一。在船舶的建造过程中，新技术、新工艺不断得到应用，船舶 现代化程度也越来越高。但船体本身是特殊的，其外形是个空间 曲面，且船体主要是由焊接的钢结构构成，在船舶建造和修理过 程中为了修正其结构的变形，船厂通常采用火工矫正的工艺方法。 火工矫正是用火工对钢材进行局部加热进行矫正，利用钢材热胀 冷缩的特性，使加热区域的膨胀受到周围较冷区域的阻碍而发生 的变形。在船体建造过程中，零件、部件及分、总段的加工，调 运、装配及焊接时，特别是经过焊接后，会产生各种各样的变形, 当变形超过一定数值时，必须随时进行矫正，才能确保下道工序 的正常进行。1船体结构变形原因及形式船舶建造过程中的变形是一种常见现象，主要是由于船体结 构在焊接后产生的局部和整体变形所导致。如不及时采取有效措 施，会造成尺寸偏差、结构失稳、强度降低等后果，给下一阶段 的焊接和装配工作带来很大困难，不仅导致工期延长，甚至无法 达到规范、标准规定的质量要求。因此，研究焊接变形产生的原 因，采取正确的预防和控制措施，合理的对变形进行矫正，对缩 短船舶建造周期，提高船舶建造质量具有重要意义。产生焊接变 形最基本和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 现了压缩塑性变形。凡是与焊接热变形和构件刚性有关的各种因 素，都会对焊接残余变形产生影响。与热变形有关的因素有焊接 工艺方法、焊接参数、焊缝数量和断面大小、施焊方法、材料的 热物理性能等，与构件刚性有关的因素有尺寸和形状、胎夹具的 应用、装配焊接程序等。由于实际生产过程中焊接是一个非常复 杂的过程，影响焊接变形的不可知因素很多，试图完全消除焊接 变形是不可能的，只有根据焊接变形的基本原理及影响焊接变形 的主要因素，采取相应的调节措施，以达到预防和控制焊接变形 的目的。船体变形可大致分为整体变形，即整个结构形状和尺寸发生 了变化；另一类是构件局部变形，它是指发生于焊接结构某部位 的局部变形。整体变形是由于焊缝在各个方向收缩而引起的，包括收缩变 形，弯曲变形和扭曲变形。收缩变形是由于焊缝的纵向和横向收 缩造成整个结构的长度缩短和宽度变窄；弯曲和扭曲变形是由于 焊缝在结构中布置不对称时产生的，也可能由于装配质量不好， 焊件搁置不当、焊接程序和焊接方向不合理而造成的。通常弯曲 变形、扭曲变形与纵向和横向收缩相伴而同时发生变化。局部变形包括角变形、波浪变形和错边变形。角变形主要由 于温度沿板厚方向分布不均匀和熔化金属沿板厚方向收缩量不一 致而引起的，因此一般多发生于厚板的对接街头。波浪变形产生 于薄板结构中，它是由于纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而 造成的。错边变形主要是由于组成焊件的两个零件在装夹时夹紧 程度不一致或刚度各不相同或物理性质不同，以及装配不良或电 弧偏离坡口中心等原因引起的。2焊接变形的预防与控制由于焊接变形有可能造成的严重后果，我们在船舶建造过程 中必须做好对船体变形的控制，尽量减少变形，预防超标准的变 形情况出现。产生焊接变形最基本和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，在焊接过程中热变形受到了构件刚性条 件的约束，出现了压缩塑性变形。凡是与焊接热变形和构件刚性 有关的各种因素，都会对焊接残余变形产生影响。与热变形有关 的因素有焊接工艺方法、焊接参数、焊缝数量和断面大小、施焊 方法、材料的热物理性能等，与构件刚性有关的因素有尺寸和形 状、胎夹具的应用、装配焊接程序等。由于实际生产过程中焊接 是一个非常复杂的过程，影响焊接变形的不可知因素很多，试图 完全消除焊接变形是不可能的，只有根据焊接变形的基本原理及 影响焊接变形的主要因素，采取相应的调节措施，以达到预防和 控制焊接变形的目的。由于焊接变形有可能造成的严重后果，我们在船舶建造过程 中必须做好对船体变形的控制，尽量减少变形，预防超标准的变 形情况出现。目前在实际生产中，主要应用以下四种办法控制变 形。2.1正确的焊接结构设计正确的焊接结构设计是控制焊接变形与应力最主要的方法之 一，正确的设计能够有效的减少焊接变形。根据前人的总结经验 认为，焊缝设计原则至少应包括以下几点：选用对称截面的结构，尽可能使焊缝对称于截面中性轴，避 免焊接后产生扭曲或较大弯曲变形；在保证结构承载能力条件下，综合施工工艺的可能性，尽可 能选取小的焊缝尺寸；尽可能减少焊缝数量，优先考虑型钢代替钢板，想方设法提 高钢材的利用率；设计薄板结构时，应校核和提高构件的稳定性，防止波浪变 形。2.2合理的装配焊接工艺合理的装配焊接法是另外一种控制总体和结构变形的重要方 法。船体装配应尽可能地在无装配应力强制下进行。若装配应力 过大，则有可能在未焊接时即产生波浪变形，对薄板构件的焊接 装配尤其需要注意。焊接电流、焊接速度、焊接方向、焊接顺序、 焊接方法等都会对结构变形产生影响。针对不同的板材及焊接方 法，可选取不同的焊接电流与焊接速度，但焊接顺序和焊接方向 一般来说具有一定的原则性，且对整个船体的变形影响显著。整 体造船的常规焊接工艺程序是：先焊好骨架间的连接焊，焊好壳 板间的横向焊缝、纵向焊缝，焊好骨架结构与壳板问的连接角焊。 也有将壳板间纵向焊缝放到最后进行焊接的，这样可以减少船体 纵向变形量，但增加了施工难度，对船厂施工工艺的要求较高。 全船焊缝均应由船中往两侧、由舯往艏艉、由下往上焊接，以减 少焊接变形，消除焊接应力，保证建造质量。此外，应尽量采用 线能量较低的焊接方法，用多层焊代替单层焊，也可显著地减少 焊接变形。2.3反变形措施反变形措施也称为变形补偿控制，主要针对船体总尺寸的收 缩变形及中垂（或中拱）进行变形量的弥补。目前主要采取的措施是 在线型放样中及胎架上施放反变形量。根据经验，一般来说可在 纵向每档肋距加放1mm的焊接收缩量，横向每档肋距加放0.5mm的 焊接收缩量，可较好的抵消总尺寸的缩短；在每档肋距施放1mm 高度反变形，可较好地抵消船体中垂（或中拱）变形。这两种反变形 措施都具有良好的补偿效果。2.4刚性固定法约束控制刚性固定法是将构件固定在具有足够刚性平台或胎架上，待构件上所有焊缝冷却后再去掉刚性固定的方法，一般在无反变形 的情况实施，多应用于各种船体构件的施焊过程。采取这种措施 可使构件的变形远小于自由状态下焊接所产生的变形，特别用来 防止角变形和波浪变形效果明显。3 变形的火工矫正船体在建造过程中必然会产生变形，结构发生变形后必须进 行矫正使之达到质量要求。实践证明各种结构变形的矫正方法的 实质都是设法制造新的局部变形以抵消原来已有的变形。生产中 常用的矫正方法有机械矫正、火工矫正和综合矫正，但是机械矫 正适合矫正小型的零部件，而对于较大的分段变形的矫正，只能 由火工矫正来担当，因为火工正具有设备简单、就地矫正、激动 灵活等特点，所以目前被广泛应用于生产中，所以下面就谈谈火 工矫正。火工矫正工艺是一种行之有效的矫正变形与消除残余应力的 方法。船体结构的火工矫正，就是利用金属局部受热后，所引起 的新的变形去矫正原先的变形。当金属局部加热时，被加热处的 材料受热而膨胀，但由于周围温度低，因此膨胀受到阻碍，此时 加热处金属受压缩压力，当加热温度为600C700C时，压缩应力 超过屈服极限，产生压缩塑性变形。停止加热后，金属冷却缩短, 结果加热处金属纤维要比原先的短，因而产生新的变形。3.1火工加工在船体建造中的作用在船体建造过程中火工是一项很复杂的工作，由于整个船体 的外壳就是一个曲面结构，因此，大多数的船壳板都有弯曲度， 其中不少的船壳板是双向曲度板。这种双向曲度板难以用冷加工 的方法达到成型的目的。在实际生产过程中为了保证产品的质量, 降低成本，提高进度等原因，只能用火工加工的方法。钢板经加 热，在一定的温度下，使钢板的纤维组织重新排列而达到成形的 目的。在船体建造过程中，零件、部件及分段的加工、吊运、装配 及焊接等各道程序后，其中特别是经过焊接后，会产生各种各样 的变形。当变形量超过一定的数值时，必须立即进行矫正，才能 确保下道工序的正常进行。在船舶航行中，经常会发生意外事故，使船壳板因受外力而 产生局部“瘪坑”由于这些变形不需将整张壳板调换，故也常用 火工进行局部加热，然后施加外力使其恢复原状。因此，在船体 建造过程中，不论是钢板的加工或是矫正都离不开火工。船体结构的火工矫正，从本质上说，是船体零件局部热加工 的逆过程。尽管他们的约束条件有所不同，但基本原理是一直的。火工矫正的过程，就是热处理方法使旧的永久变形转变为新的永 久变形的过程。要达到上述目的，必须在构件上补充局部的加热面积。结果, 加热部分金属在热循环过程（受热膨胀并随之而来的冷却收缩） 中形成不可逆的塑性变形，因而在过程终了后，在加热区外部产 生极大的拉应力，这种拉应力的作用，使已经变形的结构恢复平 直。结构的矫正质量和矫正效果，在很大程度上就取决于这种拉 应力大小及其分布情况。决定火工矫正效果的因素主要是加热的位置和加热的热量。 不同的加热方法可以矫正不同类型和不同方向的结构变形。不同 热量，可以获得不同的矫正变形能力。一般情况下，如果加热位 置正确，热量越大，矫正能力越强，矫正变形量越大。3.2火工矫正的主要方法3.2.1火工矫正的加热方法一般情况下，火工矫正的加热处总在焊缝对称的反面，对称 于变形构件断面的中和轴。加热时火焰的特性、焰嘴的高低、孔 径的大小、加热速度等，与矫正变形的效果有着密切的关系，目 前，常用的加热气体为氧-乙炔气和氧-丙烯气。下面介绍氧-乙炔焰。火焰的特性：軋乙炔产生的火焰，有乙炔过剩焰、中性焰和 氧气过剩焰。火工矫正一般采用中性焰。中性焰是焰嘴末端有10 20mm长固定的白色亮点，并能清晰看到的这个白色的亮点。焰心距离：焰心的距离是指火焰的白亮点到钢板表面的距离。 加热效率最高的地方，也就是温度最高处是离白亮点末端 3 10mm的地方。所以，焰心与钢板的距离大小直接影响到加热的速 度和温度。钢板厚度与焰心距离的参考数据可参考下表：表一板厚与焰心距离单位mm钢板厚度3 4.56810 1416 2224 2830焰心距离2000334456103.2.2火工矫正的冷却方法火工矫正的冷却方法分空冷和水冷两种。空冷：构件的加热区，经加热后在空气中自然冷却，这种冷 却速度较慢，仅适应于某些特殊要求的钢材或冬季施工时。水冷：构件的加热区，经加热后紧接着浇注冷水进行冷却。 这种冷却能够加快冷却速度，提高矫正效率。水冷又分为正面跟 踪水冷和背面跟踪水冷两种。特别应注意的是采用水冷之前必须 确认被矫正的构件材料是否允许水冷。图一特点和变形情况，分析变形的原因，确定不同的火工矫正方法。 最基本的加热矫正方法有点状加热矫正法、线状加热矫正法和三 角形加热矫正法，有时候还需要同时采用两种或两种以上的矫正 方法。在此基础上，经过演变火工矫正的方法归纳为下列常用的 几种方法。表二火工矫正的加热方法方法优缺点、适用范围线状加热法加热线宽度一般为钢板厚度的0.52倍，矫正质 量好、效率