船体薄板结构焊接变形控制的“前处理”

艾海峰 蔡旭强 黄建勋

（驻七五〇厂军事代表室 梧州工作组，广西 梧州 543003）

0 前言

为了减轻自重，提高空间利用率和综合使用性能，现代船艇大量使用高强度薄板，同时为保证足够的结构强度，船体内部加强结构增多，焊缝大量增加，使薄板焊接变形问题变得十分突出，并且这种变形将无法完全消除。船体薄板焊接变形主要表现为:板收缩内凹，肋骨框架外露的“瘦马”变形；范围较大的波浪变形；局部的凹凸变形等，均是由于薄板抗弯刚度低，在焊接过程中的不均匀加热和冷却引起的。由于薄板焊接变形对船艇外观质量、建造周期、机动性能等均具有重要影响，并且变形本身影响因素众多、各种因素之间的相互作用复杂，使得薄板焊接变形控制技术成为船体建造的关键技术之一，对提高船艇实物质量水平至关重要。

在焊接实施阶段，为控制焊接变形，提高焊接质量，通常要严格控制焊接方法、参数、材料、顺序、人员等，焊接完成后，一般还需要对焊接实施阶段的“输出”采取“后处理”措施进一步减小焊接变形量，如变形矫正、应力释放等。从船艇结构建造过程来看，策划评估及装配施工在焊接实施之前，是焊接实施阶段的“输入”，完整地对薄板焊接变形进行控制，必然还应采取适当的“前处理”措施对焊接实施阶段的“输入”进行控制，忽视策划评估的基础性作用和装配施工的保障作用，往往则会造成薄板结构焊接实施难度增大，焊后处理工作繁重，甚至是结构报废。本文充分认识到策划评估能够有效降低薄板焊接变形控制的潜在风险，而装配精度与薄板焊接变形控制相辅相成，给出了做好控制船体薄板结构焊接变形控制“前处理”工作的一些原则方法，为提高船艇建造质量提供参考。

1 策划评估

策划评估对控制薄板焊接变形具有重要的预防作用。在生产策划阶段必须充分考虑焊接变形控制，尽可能预测焊接变形控制中存在的风险，提前做好预防措施，确保焊接变形矫正的工作量降到最低，减少生产成本。特别对于新研制船艇，设计修改多、建造经验少，更要重视对船体焊接变形控制的策划。

1.1 改进建造方法

在对分段和总段的建造进行策划时，充分利用船厂的传统经验和现有条件，坚持从结构焊接变形趋势可控和工人施焊条件有利的角度进行考虑，确定分段和总段的建造方式与顺序。一方面，要优化零部件组装和分段合拢顺序，例如对于建造难度大、经验不足的分段，可预先建造模拟分段，评估结构建造的可行性和可靠性，还可以采用数值仿真技术提高薄板结构的焊接变形预估和控制精度；另一方面，要优化零部件的焊接顺序和焊接方法，例如由内往外焊、对称施焊，尽可能减少仰焊，灵活采用塞焊、单面焊双面成型等特殊焊接方法，保证焊接质量和焊接变形的可控。

1.2 优化焊缝布局

在充分了解焊接应力和变形产生的机理的基础上，合理地制定施工工艺，坚持理论与实践相结合，做到对焊缝的合理优化。一方面，要减少焊缝数量和长度等，降低焊接热源对结构的热输入，如充分利用板材和型材的规格尺寸；按照标准要求制定船体构件切口及典型节点图册，规定焊缝坡口的形状和尺寸等；另一方面，要优化板缝的布置，如使船体水线以上部分焊缝呈现布局美感；使焊缝对称于焊件的中心轴；将焊缝靠近强结构，避开高应力区；在焊缝相交中宜采用“十”字接头，减少或避免“丁”字接头等。

2 装配施工

装配间隙过大，坡口角度过大，均会增加焊接过程中的热输入，使得焊后的变形量增大，所以始终要注重装配精度，切实控制焊缝间隙，形成控制焊接变形的有利条件，为控制薄板焊接变形提供保障。

2.1 精确加工、细心搬运

下料阶段的板材和型材尺寸精度，必然会影响后续装配的精度，并且越往后期越难保证结构装配精度，因此必须从源头抓装配精度。板材在下料前必须矫平，保持板面平整，型材在下料前必须进行矫直。板材切割宜采用等离子水下数控切割，并且要讲究余量分布，提高无余量下料装配率，减少余量切割阶段产生的结构变形。对于需要加工线型的板材，必须要加工到位，符合加工精度要求，避免在装配阶段生拉硬拽，增加附加应力。加工后的板材应放在托架上，板材搬吊运时，不允许在板材上直接焊接吊马，或者不同线型的薄板叠加搬运。

2.2 释放反变形、增强支撑材

除了在零部件加工阶段对有线型的板材考虑加工反变形以及在船台合拢阶段对主船体基线沿纵向适当放反变形外，胎架作为分段、总段制作的支撑基础，对防止焊接变形过大具有重要的约束作用。胎架应按先横向后纵向的顺序加放纵、横向反变形，纵向应从中间一档肋位向两端并往下释放反变形，纵、横向可按1:1000加放垂向反变形余量，并要制作梁拱反变形样板以便准确释放甲板梁拱反变形。为防止胎架横向收缩变形过大，底部分段胎架两舷外侧需加斜撑以作加强，所有分段胎架底座、支柱、斜支撑角钢加强和纵、横向连接角钢必须与“地牛”和胎架焊接牢固，以防止分段制作过程中焊接应力变形。

2.3 提高装配精度、预防焊前变形

由于焊接结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的，结构整体的刚性总比它的零部件刚性大，为了尽可能减少薄板焊接变形，所有结构必须安装完整后方可施焊。在装配过程中，一方面，要始终注重提高装配精度，如零部件的加工制作一律应在表面平整、刚度好的平台上进行，组装好后的构件应按种类或图号分装托盘放好，防止调换错误，以备一次性正确装配；装配定位宜采用点焊的方式，点焊时尽可能采用小直径焊条，焊点的大小及间距应适当且均匀，如果点焊尺寸过小或间距过大，在正式焊接过程中可能会裂开，不能起到定位和控制变形的作用；如果点焊尺寸过大和间距过密，在正式焊接过程中增加打磨工作量以及影响施焊的连续性；外板、甲板以及肋骨、隔壁定位，要严格对准板缝线、肋骨线、中心线，对接面要平直、光顺，装配误差过大的构件必须返修或更换（如高度过小或面板角度不对等）；批刨剖口必须认真仔细，保证坡口线型光顺，深浅宽窄尽可能一致，以降低焊接过程中热输入不均匀的程度，等等。另一方面，要适当采取临时加强措施，预防焊接变形，如:对于T型材、隔壁板、平台板、肋骨框架，在制作和搬运过程中必须设置临时加强支撑；立体总段、甲板半立体分段在装配过程中要进行辅助支撑加强，如不影响大合拢施工应留至大合拢焊接完毕后再拆除；纵、横向板缝及板缝交叉处均应适当加排，加强排间距适当，与板缝垂直安装；在环形大接头处，甲板面、底部尖窄部位在外表面加排，舷侧旁板部位需在舱内部加排，而且当舱内有强结构（如纵桁、中付龙、甲板纵桁等）对接时，腹板一面也应加装加强排。