船舶制造工程师培训课件

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摘 要：本文主要探讨了船体焊接中常见的焊接变形、焊接变形产生的主要因素、焊接变形控制的原则以及焊接变形矫正的方法，希望给广大船体焊接工作者一定的帮助。关键词：船体焊接；变形；矫正；控制等 在船体建造过程中，焊接结构件大量应用于各个制造工序。焊接接头变形对接头的性能有着较大影响，使得船体构件的强度、韧性下降。此外，焊接变形不利于船体制造精度的控制，从而最终影响到船舶的建造质量。笔者是一位职业学院的焊接授课老师，曾经多次带领学生到船厂实习，期间曾多次实践船体焊接并向船厂师傅请教讨论，船厂师傅们提出了许多降低和消除焊接变形的有效方法，这些方法各有特点，但笔者考虑由于船体结构的尺寸较大、形状较复杂，因而不易采取单项措施进行处理，必须进行综合治理。因此将对焊接变形产生原因及其影响因素进行分析，针对船体构件建造过程中各个阶段的特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低或消除焊接变形的目的。 一、焊接变形分类 由焊接变形的方向性可分为纵向变形和横向变形。纵向变形是由焊缝方向的收缩应变产生的，包括纵向收缩，纵向弯曲等；横向变形则是由与焊缝方向垂直的收缩应变产生的，包括横向收缩、剪切变形和角变形等。另外，也可以在整个空间范围里，把焊接变形分为平面内变形和平面外变形。平面内变形包括横向收缩、纵向收缩和剪切变形。平面外变形包括角变形、纵向弯曲、扭曲变形和屈曲变形。 二、影响船体焊接变形的因素 在焊接过程中的热应变、塑性应变是产生焊接变形的原因。通常在低碳钢焊接时，相变发生在弹性丧失温度以上，对焊接变形和最终的残余应力影响较小，往往予以忽略。但在低合金高强钢焊接时，固态相变常发生在弹性丧失温度以下，必须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化。因此，焊接变形是热应变、塑性应变以及相变应变综合影响的结果。由于焊接结构中产生的焊接变形是个很复杂的问题，所以只从船体建造工艺角度分析影响焊接变形的一些主要因素。 1、施焊方法和焊接工艺参数 不同施焊方法引起的收缩量也不同。当焊件的厚度相同时，单层焊的纵向收缩比多层焊收缩大，这是因为多层焊时，先焊焊道冷却后阻止了后焊焊道的收缩。逐步退焊比直通焊收缩小，这是因为前者可使焊件温度比较均匀，产生压缩塑性变形比较分散的缘故。焊接工艺参数的影响主要为线能量。一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大。 2、焊缝长度及其截面积 一般来说，焊缝的纵向收缩量随焊缝长度的增加而增加，而焊缝的横向收缩量随焊缝宽度增加而增加。横向收缩量还与板厚、坡口形式及接头形式有关。手弧焊时，板厚增加，收缩量增大，自动焊时则有所不同；在同样厚度条件下，V形坡口比X形坡口收缩量大，对接焊缝的横向收缩量比角焊缝大。 3、焊缝在结构中的位置 焊缝位置对焊接变形的影响很大，凡焊缝位置对称于结构重心线的，则产生的变化变形比较简单，只有纵向和横向的缩短，而焊缝位置与结构重心线不对称时，除纵向与横向缩短外，还产生了弯曲变形。焊缝距构件或构件中和轴（船体剖面中静力矩为零的轴）越远，焊接收缩力对中和轴的力矩越大，焊接的弯曲变形也越大。所以布置在中和轴上或尽量靠近中和轴，以减少弯曲变形。 4、装配和焊接程序 装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变，对控制构件的焊接变形有很大的影响。因此就整个结构生长而言，这就有边装配边焊接和装配成整体后再焊接两种方式可供选择。对于简单结构来说，采用后一种方式，可以减少其弯曲变形。 三、控制船体焊接变形的原则与方法 焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的。控制焊接残余变形必须从船体结构设计和施工工艺两个方面同时采取措施。 在船体结构设计上除了要满足船舶的强度和使用性能外，还必须满足船舶制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。焊接工艺是船体施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。船体结构不按照焊接工艺特点进行设计，将带来过大的残余变形，削弱船舶强度，影响船舶使用性能。在船体结构设计方面，为了控制船体焊接变形，设计院、船厂在设计中采取了各种措施，如将船体分为若干小部件与船体分段，使焊接变形分散在各个部件上，便于船体变形的控制与矫正;使船体焊缝的布置与船体分段截面中性轴对称或接近截面中性轴，避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形;对每一条主要焊缝，尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝;避免焊缝过分集中和交叉布置;尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式(如槽形舱壁)等等。在施工工艺方面，为了控制船体焊接变形，应做到：（1)在无装配应力强制下进行船体装配;（2)采用自动埋弧焊和其它气体保护焊工艺;（3)合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。在焊接工艺上尽可能合理运用刚性固定法，反变形法。刚性固定法和反变形法是控制焊接变形的基本方法。刚性固定法是船厂施工中常采用的一种控制变形的方法，是将构件固定在具有足够刚性的平台或胎架上，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去掉刚性固定。这时焊接构件产生的变形将大大小于在自由状态下焊接的变形。船体装配焊接中广泛使用各种形式刚性固定法，如临时加强筋板，临时点焊加强角铁，分段四周定位焊，船体分段和胎架螺栓连接，各种直线拉马和弧形拉马等等。 反变形法即船体装配焊接前，预先给船体分段或构件一个反变形值，其大小应等于或大于船体分段焊后变形，但方向相反。利用此法可使船体分段变形消除或减少到最小。如放样时预放反变形量，装配时加放焊缝收缩余量等等都是属于反变形法范畴。 船体建造过程中，虽然在船体结构设计和施工工艺上采取措施来控制施工中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和船体施工工艺的复杂性，一般来讲，产生焊接变形是不可避免的，对出现的超过设计要求的焊接变形必须进行矫正。矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形，弯曲变形，波浪变形等等，对于船体结构的整体变形如纵向和横向收缩(总尺寸缩短)只能通过下料或装配时预放余量来补偿。矫正变形的方法有两种，即机械矫正法和火焰矫正法。机械矫正法是在室温条件下，对焊接构件施加外力，使构件压缩塑性变形区的金属伸展，减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的。机械矫正变形法容易引起金属冷作硬化，消耗材料一定数量的塑性储备，因此，只能用于塑性良好的材料，不允许对塑性较差或脆性材料进行机械矫正。实际生产中，机械矫正法矫正过程中可以使用专用的大型油压机、水压机、顶床或人工利用大锤矫正。 火焰矫正法是通过对变形构件伸长部分金属进行有规则的火焰集中加热。冷却后，焊接构件这部分金属获得不可逆的压缩塑性变形，使整个焊接构件变形得到矫正。火焰矫正法同样要消耗材料一部分塑性，对于脆性材料或塑性差的材料要谨慎使用。要适当控制火焰加热的温度，温度过高材料机械性能降低，温度过低使矫正效率降低。由于冷却速度对矫正效果不产生任何影响，船厂多采用边加热边喷水冷却的方法，既提高了工作效率，又提高了矫正效果。 综上所述，船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，从而既满足船舶强度和使用性能，又满足经济性要求。 参考文献： [1]叶家玮.现代造船技术概论[M].广州:华南理工大学出版社,2001. [2]李亚江.特殊及难焊材料的焊接[M].北京:化学工业出版社,2003. [3]孙维善.船舶焊接[M].北京:国防工业出版社,1992. [4]王承权.船体结构的焊接变形[M].北京:国防工业出版社,1978. [5]陆伟东.船舶建造工艺[M].上海:上海交通大学出版社,1991. [6]陈冰泉.船舶及海洋工程结构焊接[M].北京:人民交通出版社,2001.