1、摘要：現代造船中焊接工作量在整個船體建造總工作量中占相當大的比例，如不能很好地控制焊接變形，將會給船體裝配、主輔機系統的安裝帶來極大困難，甚至達不到檢驗要求；本文針對船舶焊接變形的控制與矯正問題，首先分析了產生變形的原因，然后闡述了各種焊接變形的種類，最后分別從變形的控制以及矯正兩個方面探討了減少焊接變形的方法。關鍵詞：船舶；焊接變形：變形控制；矯正0.前言 船體具有足夠強度是船舶安全航行、正常營運的基礎。要保證船體強度，在建造檢驗中，必須控制好造船材料、結構裝配及結構焊接三個環節的質量。而三個環節中，焊接又是船體建造中最重要又最難控制的一個環節。如何控制和提高焊接質量，對船體監造驗船師來講是

2、一個重要課題。眾所周知，所謂船體建造，其過程就是施工者依據施工圖紙的技術要求對不同規格的鋼材進行“放樣、下料、加工”，然后再利用焊接工藝方法將它們“縫合”在技術圖紙所規定的各自的位置上，從而形成整個船體。焊接對保證船體的強度起著決定性作用。在本文中著重講解討論船舶焊接變形的控制與矯正。船體結構是一種典型的焊接結構。據統計，現代造船中焊接工作量在整個船體建造總工作量中占相當大的比例，焊接的質量和生產效率直接影響到船體的建造周期、成本和使用性能。對船體鋼板比較薄的船舶來說，焊接引起的變形更為嚴重，如不能很好地控制焊接變形，將會給船體裝配、主輔機系統的安裝帶來極大困難，甚至達不到質量檢驗要求，施工中

3、焊接變形的控制與矯正顯得尤為重要。為了更好的控制焊接變形以及對焊接變形進行矯正，本文首先分析一下焊接變形的原因。1. 焊接變形產生的原因電弧焊是一個不均勻的快速加熱和冷卻的過程。焊接過程中及焊后，焊接構件都將產生變形。影響焊接變形最根本的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構件的剛性條件。在焊接過程中的熱變形受到了構件剛性條件的約束出現了壓縮塑性變形這就產生了焊接殘余變形。鋼材的焊接通常采用熔化焊方法, 是在接頭處局部加熱,使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬, 形成熔池,隨后冷卻凝固成固態金屬,使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱,融合線以外的母材產生膨脹,接著冷卻,熔池金屬和熔合線附近

4、母材產生收縮,因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行, 膨脹和收縮變形均受到拘束而產生塑性變形。這樣,在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。焊接變形可以分為在焊接熱過程中發生的瞬態熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多,但歸納起來主要有材料、結構和工藝3 個方面。材料因素的影響材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關,而且和母材也有關系,材料的熱物理性能參數和力學性能參數都對焊接變形的產生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數的影響主要體現在熱傳導系數上,一般熱傳導系數越小,溫度梯度越大,焊接變形越顯著。力學性能對焊接變形的影響比較復雜,熱膨脹系數的影響最為明顯,隨著熱

5、膨脹系數的增加焊接變形相應增加。同時材料在高溫區的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用,一般情況下,隨著彈性模量的增大,焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應力,焊接結構存儲的變形能量也會因此而增大,從而可能促使脆性斷裂,此外,由于塑性應變較小且塑性區范圍不大,因而焊接變形得以減少。不同的材料具有不同的熱物理性能，例如材料不同，導熱系數、比熱和膨脹系數等均不相同，產生的熱變形也不相同，焊接變形也不相同。1.2結構因素的影響焊接結構的設計對焊接變形的影響最關鍵,也是最復雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加,焊接殘余應力增加,而焊接變形則相應減少。結構在焊接變形過程

6、中,工件本身的拘束度是不斷變化著的,因此自身為變拘束結構,同時還受到外加拘束的影響。一般情況下復雜結構自身的拘束作用在焊接過程中占據主導地位,而結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結構復雜程度的增加而增加,在設計焊接結構時,常需要采用筋板或加強板來提高結構的穩定性和剛性,這樣做不但增加了裝配和焊接工作量,而且在某些區域,如筋板、加強板等,拘束度發生較大的變化,給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此,在結構設計時針對結構板的厚度及筋板或加強筋的位置數量等進行優化,對減小焊接變形有著十分重要的作用。總體歸納起來結構因素主要包括以下兩個方面：（1） 焊縫數量和斷面大小；通常來講焊縫數量愈多，斷

7、面尺寸愈大，焊接變形愈大。（2） 焊縫接頭形式對接焊和角接焊的溫度場不同，產生的熱變形也不同。通常對接焊變形較大，角接焊變形相對較小。（3） 構件的尺寸和形狀。隨著構件剛性的增加，焊接變形愈小。工藝因素的影響焊接工藝對焊接變形的影響方面很多, 例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應用等。在各種工藝因素中,焊接順序對焊接變形的影響較為顯著,一般情況下,改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態,減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中,總結出一些經驗,利用特殊的工藝規范和措施,達到減少焊接殘余應力和變

8、形,改善殘余應力分布狀態的目的。歸納起來焊接工藝的影響主要包括以下幾個方面：（1） 焊接參數即焊接電流、電弧電壓和焊接速度。線能量愈大，焊接變形愈大。焊接變形隨焊接電流和電弧電壓的增大而增大，隨焊接速度增大而減小。在三個參數中，電弧電壓的作用明顯，因此低電壓高速大電流密度的自動焊變形較小。（2） 施焊方法。連續焊、斷續焊的溫度場不同，產生的熱變形也不同。通常連續焊變形較大領續焊變形最小。（3） 焊接工藝方法。不同的焊接方法，將產生不同的溫度場，形成的熱變形也不相同。一般來說自動焊比手工焊加熱集中，受熱區窄，變形較小。CO2氣體保護焊焊絲細，電流密度大，加熱集中，變形小，比手工焊更適合于薄板結構

9、的焊接（4） 胎夾具的應用。采用胎夾具，增加了構件的剛性，從而減小了焊接變形。（5） 裝配焊接程序。裝配焊接程序能引起構件在不同裝配階段剛性的變化和重心位置的改變，對控制構件的焊接變形有很大的影響。一般來說，焊接構件在拘束小的條件下，焊接變形大，反之，則變形小。2. 船體焊接變形的種類任何焊接結構的焊接變形，總是由一些基本類型的焊接變形所組成，船體結構也不例外。焊接變形可分為整體變形和局部變形。整體變形就是焊接以后，整個構件的尺寸或形狀發生的變化（如圖1所示），包括縱向和橫向收縮（總尺寸縮短），彎曲變形（中拱、中垂）和扭曲變形等。局部變形是指焊接以后構件的局部區域出現的變形，包括角變形和波浪變

10、形等。圖1 焊接所產生的各種變形3. 控制船體焊接變形的原則與方法焊接過程中的熱變形和施焊時焊接構件的剛性條件是影響焊接殘余變形的兩個主要因素。根據這兩個主要因素可以認為焊接殘余變形是不可避免的，即完全消除焊接變形是不太可能的。控制焊接殘余變形必須從船體結構設計和施工工藝兩個方面同時采取措施。在船體結構設計上除了要滿足船舶的強度和使用性能外，還必須滿足船舶制造中焊接變形最小及耗費勞動工時最低的要求。焊接工藝是船體施工中的重要工藝之一。合理的焊接工藝是減少焊接變形，減少應力集中的有效方法。船體結構不按照焊接工藝特點進行設計，將帶來過大的殘余變形，削弱船舶強度，影響船舶使用性能。在船體結構設計方面

11、，為了控制船體焊接變形，設計院、船廠在設計中采取了各種措施，如將船體分為若干小部件與船體分段，使焊接變形分散在各個部件上，便于船體變形的控制與矯正；使船體焊縫的布置與船體分段截面中性軸對稱或接近截面中性軸，避免焊接后產生扭曲和過大的彎曲變形；對每一條主要焊縫，盡可能選擇小的焊腳尺寸和短的焊縫；避免焊縫過分集中和交叉布置；盡可能采用寬而長的鋼板或能減少焊縫數量的結構形式（如槽形艙壁）等等。焊前預防主要包括預防變形、預拉伸法和剛性固定組裝法。（1）預變性法或稱反變形法是根據預測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量(反變形量)，焊后焊接殘余變形抵消了預

12、變形量，使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。（2）預拉伸法多用于薄板平面構件，焊接時在薄板有預張力或有預先熱膨脹量的情況下進行的，圖2 預熱去除預拉伸如圖2所示，焊前，去除預拉伸或加熱，薄板恢復初始狀態，可有效地降低焊接殘余應力，控制焊接變形。預熱的作用在于減小溫度梯度，不同的預熱溫度在降低殘余應力的作用方面有一定的差別，預熱溫度在300 400 時,在鋼中殘余應力水平降低了30 %50 %, 當預熱溫度為200 時，殘余應力水平降低了10 %20 %。（3）剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構件盡可能地固定，可有效地控制待焊構件的角變形與彎曲變形等。4. 船體焊接變形的矯正船體建造過

13、程中，雖然在船體結構設計和施工工藝上采取措施來控制施工中所產生的焊接變形，但由于焊接過程的特點和船體施工工藝的復雜性，一般來講，產生焊接變形是不可避免的，對出現的超過設計要求的焊接變形必須進行矯正。矯正工藝只限于矯正焊接構件的局部變形，如角變形，彎曲變形，波浪變形等等，對于船體結構的整體變形如縱向和橫向收縮（總尺寸縮短）只能通過下料或裝配時須放余量、補償量來調整。矯正變形的方法有兩種，即火焰矯正法和機械矯正法。4.1火焰矯正法火焰矯正法是通過對變形構件金屬進行有規則的火焰集中加熱。冷卻后，焊接構件這部分金屬獲得不可逆的壓縮塑性變形，使整個焊接構件變形得到矯正。火焰矯正法同樣要消耗材料一部分塑性

14、，對干脆性材料或塑性差的材料要謹慎使用。要適當控制火焰加熱的溫度。溫度過高材料機械性能降低，溫度過低使矯正效率降低。由于冷卻速度對矯正效果不產生任何影響，船廠多采用邊加熱邊噴水玲卻的方法，既提高了工作效率，又提高了矯正效果。火焰矯正法又分為整體加熱和局部加熱。（1） 整體熱矯正法整體熱矯正是指將整體構件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法,可用以消除較大的形狀偏差（如圖3所示）。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用,限制了該方法的進一步推廣及應用。（2） 局部熱矯正法局部熱矯正多采用火焰對焊接構件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構件本身剛性制約，產生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設備，方法簡便靈活，因此在生產上廣為應用。a 火工矯正后的部位b火工矯正后的部位圖3 火工矯正4.2機械矯正法機械矯正法是在室溫條件下，對焊接構件施加外力，便構件壓縮塑性變形區的金屬伸展，減少或消除焊縫區的塑性變形，達到矯正變形的目