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1、船体薄板焊接变形与控制研究报告2010年10月引 言薄板焊接是工业施工中一项重要工作。许多产品由于产品重量考虑，需采用轻体薄板材料。美国、德国、俄罗斯等一些发达的军事强国在建造大型或超大型睡眠舰艇时，出于对舰艇自身重量和舰艇速度的考虑，目前普遍采用高强度薄板厚船体钢材，从而提高舰艇的战斗威力。但是，薄板焊接的技术难题也随之而来，开发新的焊接工艺，急需用于焊接生产。本文从焊接最基本原理讲起，逐步深入，探讨薄板焊接过程中的种种变形缺陷，从原理上剖析缺陷产生的原因，进而深入讨论薄板焊接工艺，并且，本文研究与中国扬帆集团造船生产实际相结合，深入焊接生产一线，了解焊接工艺，为船用薄板焊接变形控制，提出方
2、案，为我国造船企业中，薄板焊接工艺提供参考。 2010年10月目 录第一章 焊接变形初步认识11.1焊接加热过程11.2焊接完成后11.3焊接变形1第二章 焊接温度场研究分析22.1焊接时温度横向分布22.2焊接板块表面温度分析示意图2第三章 焊接变形原因讨论33.1纵向收缩变形33.2横向收缩变形33.3绕曲变形33.4角变形43.5波浪变形43.6焊接错边43.7螺旋变形（扭曲变形）4第四章 焊接变形控制措施总结54.1焊接变形控制工艺措施54.2焊接变形控制设计措施54.3矫正焊接变形的方法5第五章 薄板焊接变形及控制65.1薄板定义65.2薄板焊接变形控制：6第六章 船舶薄板焊接变形控
3、制76.1船舶薄板焊接变形产生的原因76.2船舶薄板焊接变形的控制7第七章 实际生产中船舶薄板焊接变形控制方案87.1 D917P薄板片体分段结构分析87.2 D917P薄板片体分段制作流程87.3 各工序施工工艺97.3.1 板材、球扁钢、T型材表面除锈、喷防护漆97.3.2 板材校平97.3.3 等离子板材下料开孔、型材下料97.3.4 磨边97.3.5 拼板97.3.6划线107.3.7 球扁钢拼焊117.3.8组件组立117.3.9构件装配、焊接117.3.10 D917P分段的变形矫正和检查切割127.3.11碳弧气刨脱胎127.3.12 D917P分段脱胎后去应力矫正12结论13参
4、考文献14第一章 焊接变形基本知识了解焊接过程中，温度应力的分布情况：1.1焊接加热过程 焊接过程中，当焊接温度降低到600摄氏度以下时，焊接的板块内产生的热应力分布情况如下图所示。焊缝附近区域产生压应力，远离焊缝区产生拉应力。1.2焊接完成后 焊接结束后，焊接的板块内产生的残余应力分布情况如下图所示。焊缝附近区域产生拉应力，远离焊缝区产生压应力。1.3焊接变形焊接冷却后，当残余应力大于材料屈服应力，则发生变形：第二章 焊接温度场研究分析2.1焊接时温度横向分布焊接时温度横向分布情况，及产生应力区域（ANSYS分析结果），温度在600摄氏度以上不产生应力，温度低于600摄氏度以下产生塑性变形（
5、不可逆变形区），在远离焊缝一定区域以外弹性变形区域（可逆变形区）。参照火工时不同的应力区，进行火工。2.2焊接板块表面温度分析示意图如下图ANSYS分析结果第三章 焊接变形原因讨论温度变化引起残余内应力，变形分类如下：3.1纵向收缩变形构件焊后在焊缝方向上发生收缩，如下图所示，虚线部分表示变形后的边缘。焊接结构焊后出现收缩变形是难以修复的，必须在构件下料时加余量。3.2横向收缩变形构件焊后在垂直方向发生收缩，如下图，焊接结构焊后出现收缩变形同样是难以修复的，必须在构件下料时加余量。3.3绕曲变形 deflexion distortiona,纵向收缩引起的绕曲：由焊缝的纵向收缩引起。b,横向收缩
6、引起的绕曲：由焊缝横向收缩引起的。3.4角变形angular distortion焊后构件的平面围绕焊缝产生角变形，常见的角变形如下图所示，主要由于焊缝截面形状不对称，或施焊层次不合理致使焊缝厚度方向上横向收缩不一致所产生。3.5波浪变形焊后构件呈波浪形，如下图，这种变形在薄板的时最容易发生。产生的原因是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在拘束度较小结构部位造成较大的压应力而引起的变形；或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形；或由以上两种原因共同作用引起。3.6焊接错边 radius off-set joint 接头错位3.7螺旋变形（扭曲变形）第四章 焊接变形控制措施总结4.
7、1焊接变形控制工艺措施（1）反变形法；backward deformation（2）刚性固定法；rigid fastening（3）合理选择焊接方法和规范；welding methods and standard（4）合理装配顺序；assemble sequence4.2焊接变形控制设计措施（1）合理选择焊缝尺寸和形式；weld size and shape（2）尽可能减少不必要的焊缝；reduce unnecessary weldingf joint（3）合理安排焊接位置； arrange welding position4.3矫正焊接变形的方法（1）机械矫正法；Machine rectif
8、ication（2）火焰加热矫正法。flame straightening第五章 薄板焊接变形及控制5.1薄板定义一般指7mm以下的低碳钢，大多数情况下不承受较大载荷，如船舶上层建筑。5.2薄板焊接变形控制：1、材料来源：可以将薄板压制成各种端面形式，提高局部稳定性；选用刚度比较高的钢材。2、焊接控制：welding control正确的焊接焊接工艺： 采用具有较高的熔敷力技术和尽量减少焊道的办法；必须采用具有小的热输入量。合理调整焊接顺序焊前制定好的控制措施1. 刚性固定法；2. 焊逢间隙均匀； well-distributed gap3. 焊前采用较小的直径的焊条点焊，增加焊件刚度；4.
9、反变形法。 焊接过程中控制措施a) 减小加热阶段产生的纵向塑性压应变；b) 增加冷却阶段产生的纵向塑性拉应变；焊后控制措施i. 机械矫正；ii. 火焰矫正第六章 船舶薄板焊接变形控制6.1船舶薄板焊接变形产生的原因原因：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大约束，出现了压缩塑性变形，就会产生各种应力和残余变形。变形的种类：纵向收缩；横向收缩；角变形；纵向绕曲；横向绕曲；波浪变形。6.2船舶薄板焊接变形的控制 正确选择焊接方法和焊接材料：一、 尽量采用气体保护焊；二、 长焊缝必须采用逐步退焊法、跳焊法、分段焊；三、 保证焊接质量的情况下，采用小直径、小电
10、流焊接方法；合理选用装配焊接顺序：一、 胎架进行分段整体装配后，再按焊接顺序进行焊接，这样可以增加结构刚性，对减小变形有利；二、 焊接的原则是先焊对接焊缝，后焊角焊缝，构架应先焊横向构架，后焊纵向构架；三、 装配时，应尽可能保持间隙均匀，避免产生装配初应力；四、 对一些容易变形的构件，在装配时加一些临时加强梁，以减小变形。对薄板结构进行刚性固定后进行焊接： 采用刚性固定法，如：压马法、压铁法、四周固定法、加端板法、熄弧固定法、综合运用法。第七章 实际生产中船舶薄板焊接变形控制方案本章节以5000CARS PCTC滚装船中D917P薄板片体分段作为分析对象，对其焊接过程中的变形进行控制，结合实际
11、生产编写如下焊接工艺流程。 7.1 D917P薄板片体分段结构分析 D917P薄板片体分段的材质为GL-A,它的主要尺寸为9600*12830*370(长*宽*高)，拼板的厚度为6.5mm，肋位间距为850mm，它的结构也是甲板+纵骨+纵桁+强横梁组成，其中纵骨为球扁钢，一共有16根，间距为750mm，纵桁为组合T型材，在距中6m处贯通全船，强横梁为组合T型材，一共有三根，间距为3400mm，结构如图所示： 7.2 D917P薄板片体分段制作流程经过对焊接变形分析和对以往工序总结，D917P薄板片体分段制作流程如下：注：分段组立工序在模板胎架上进行7.3 各工序施工工艺7.3.1 板材、球扁钢
12、、T型材表面除锈、喷防护漆板材施工前，由于板材在运输，存放过程中受到外界各种因素的影响，板材表面必然存在大量的氧化物质、油污等，所以D917P分段板材表面的除锈是施工前必不可少的一道工序，D917P分段板材采用电磁吊吊入喷丸机上，经过喷丸机的表面喷丸处理后，D917P分段板材表面的氧化物质、油污等基本能清理干净。经过喷丸处理完毕后，板材的焊接工序不可能立即进行，在接下来的工序中，板材需要经历很长的施工过程，所以在喷丸工序完成后，立即对板材表面喷涂一层防护层，在对D917P分段板材进行防护处理时，我们喷涂了一层保护漆E06-2无机硅酸锌，保护漆的厚度大约在1520um。7.3.2 板材校平板材校
13、平工序中，按要求每一块板材都要经过校平机进行校平。D917P分段板材进行校平机时，须反复2-3次，确保充分校平和消除应力，同时也能产生一定的预拉伸效果。校平后，板材要求用电磁吊进行吊卸，堆放在板材的托盘上，堆放时要注意确保平整，并检查钢材的外观质量是否符合要求，确保板材厚度的最大负公差为0.2 mm，否则需重新校平。7.3.3 等离子板材下料开孔、型材下料由于板材开孔和型材下料都会引起引起变形，同时也对后序焊接工序产生重要影响，所以必须从最初变形进行控制，因此D917P分段板材开孔、型材下料都采用等离子工艺。切割前检查D917P分段板材的材料规格，板厚符合要求。板材的摆放要求平整。切割时，采用
14、等NC离子切割，切割后检查切割板边的的弯曲度要求控制在0.5mm以内。切割完成后，要求对切口进行清理，对不符合要求的下料和开孔须进行返工修整，完成该工序后，把材料平整的摆放在型材专用的托盘上运到分段组立施工现场。7.3.4 磨边 磨边工序是保证拼板直线边缘的弯曲度不超过1mm，如果D917P分段板材超过了规定范围，须磨边加工，磨边加工的直线度控制在0.5mm以内。7.3.5 拼板拼板焊接具体包括两个过程，拼板的装配和拼板的焊接。拼板焊接总的原则是，拼板的分作两片，对称焊接，拼板焊接结束后再合拼。以下具体介绍D917P分段拼板焊接的具体施工过程。1、 拼板的装配经过了以上的处理后，接下来，钢板放
15、在托盘上，托运到指定的地点。用电磁吊将吊放在平地上，拉拢对齐，板缝的间隙控制在1mm以内，板面的错位控制在0.5mm以内；采用小直径的定位焊，焊条的直径控制在3.2 mm以内，焊前要求烘干，并用保温筒保温。定位焊焊接要求是焊缝中间的点焊间距要求是200mm，焊点长度为25mm；焊缝两端的点焊间距要求是100mm,焊点长度为25mm，采用交错法进行装配固定。2、 拼板的焊接方案一：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特别是要求加引、熄弧板，规格是150X150，板厚与拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的长度不小于50mm；在焊接前要求是将焊缝两侧的锈、油污、氧化物等清理干净，不允许用火焰除锈。检查埋
16、弧焊的焊条焊剂以及焊接工艺参数是否选择正确，规定要求选用的焊丝直径为3mm，正面的焊接电流为400-450A，反面的焊接电流为450-500A,焊接速度约为680-720mm/min，在进行拼板翻身时，起吊时要轻放，特别防止由于翻身产生变形。焊后要求进行变形检验，对焊缝用木锤进行锤击，以达到消除应力的作用。方案二：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特别是要求加引、熄弧板，规格是150X150，板厚与拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的长度不小于50mm；在焊接前要求是将焊缝两侧的锈、油污、氧化物等清理干净，不允许用火焰除锈。检查埋弧焊的焊条焊剂以及焊接工艺参数是否选择正确，规定要求选用的焊丝直径
17、为3mm，正面的焊接电流为400-450A，反面的焊接电流为450-500A,焊接速度约为680-720mm/min，拼板焊接正面时，我们采用在待焊缝两端下方各垫一块高1mm，宽10mm，长200mm的垫板，确保垫板的中心线在焊缝的中心位置。在进行拼板翻身时，起吊时要轻放，特别防止由于翻身产生变形。焊后要求进行变形检验，对焊缝用木锤进行锤击，以达到消除应力的作用。方案三：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特别是要求加引、熄弧板，规格是150X150，板厚与拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的长度不小于50mm；在焊接前要求是将焊缝两侧的锈、油污、氧化物等清理干净，不允许用火焰除锈。检查埋弧焊的焊
18、条焊剂以及焊接工艺参数是否选择正确，规定要求选用的焊丝直径为3mm，正面的焊接电流为400-450A，反面的焊接电流为450-500A,焊接速度约为680-720mm/min，在焊前我们在待焊缝的两边100mm处，每隔1000mm，放置一对压铁，确保在焊接时，对焊缝刚性固定，减少焊接时产生变形。在进行拼板翻身时，起吊时要轻放，特别防止由于翻身产生变形。焊后要求进行变形检验，对焊缝用木锤进行锤击，以达到消除应力的作用。方案四：采用单面焊双面成型法（FBC），在板材的背面加衬垫，衬垫的规格要求是采用陶瓷垫，衬垫的厚度为2mm，宽度为15mm。拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特别是要求加引、
19、熄弧板，规格是150X150，板厚与拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的长度不小于50mm；在焊接前要求是将焊缝两侧的锈、油污、氧化物等清理干净，不允许用火焰除锈。检查埋弧焊的焊条焊剂以及焊接工艺参数是否选择正确，规定要求选用的焊丝直径为3mm，焊接电流为400-450A，焊接速度约为500-600mm/min。在这里我们运用了衬垫，增加了成本，但是增加的衬垫又有两个优点，一是,焊接过程中我们省去了翻转拼板，；二是，增加了衬垫，相当于在焊接前增加了一道反变形措施。拼版完成后，要求对变形部位进行初步的矫正，矫正方法可以选择机械矫正或火工矫正。7.3.6划线 划线环节是组立焊接前重要的工序，正确的无误的划
20、线是防止焊接变形有效的措施。拼板上要求划出结构安装线和汽车绑扎的开孔及安装线，划线开出的基准角度线垂直度误差要求在2mm以内。划线时要求加放收缩补偿量，宽度上每档要求加放1mm，长度方向上每档肋位加放1mm。在拼板上对合及检查线，供完工后检查用。7.3.7 球扁钢拼焊 由于从钢厂购得的球扁钢在长度方向上不符合甲板分段的设计要求，需要拼接球扁钢，球扁钢的拼接对甲板分段的变形影响尤其严重，我们在南通实习考察时，发现部分球扁钢的焊接后的直线度已发生很大的变形，所以在焊接球扁钢时，焊接参数尤为重要，我们要求采用手工焊焊接球扁钢，焊接焊条直径采用直径为3.2mm，J422碳钢焊条。球扁钢焊接的直线度要控
21、制在0.5mm以内，超过1mm以上需要刨边处理，超过4mm以上的需要重新焊接。7.3.8组件组立D917P薄板片体分段中组件有纵桁和强横梁两大部分，它们均为T型，在小组立平台完成装焊、矫正工作。(1)组件组立安装，施工者要对零件的尺寸精度和形状精度进行检查，腹板高度和面板宽度的误差控制在2mm以内，腹板和面板板边的直线度误差控制在2mm以内。组立装配时，腹板与面板要垂直，偏差要求在1mm以内；腹板与面板的间隙控制在1mm以内。组立后在腹板与面板间加足够的斜撑，确保焊接时不会导致倾斜。(2)焊接前确认焊接材料选用正确，焊接区域的铁锈、氧化皮、油污等清理干净。焊接参数选用得当，严格控制焊角高度，确
22、保控制在5mm以内。(3)焊接后去除临时斜撑等；检查焊缝和组件的表面质量并进行修补处理；检查组件是否变形和倾斜，倾斜度要求控制在2mm以内，腹板边缘直线度控制在1mm以内，根据火工要求进行矫正处理。7.3.9构件装配、焊接分段组立是焊接变形最大的工序，因此，分段的组立要求在模板胎架上进行。分段组立有两部分，一部分是纵向构件的焊接，包括纵骨和纵桁的焊接；第二部分是横向构件的焊接。以下我们具体介绍这两部分的焊接工艺。(1)纵向构件的焊接。包括了两个步骤，安装纵向构件和焊接纵向构件。安装纵向构件，检查纵骨和纵桁的安装边的平直度，纵骨平直度要求控制在4mm以内，纵桁的平直度要求控制在2mm以内。构件需
23、对线安装，偏差控制在1mm以内，构件与甲板须垂直，倾斜控制在1mm以内，构建与甲板须紧密贴合，间距控制在1mm以内，安装定位焊要求均匀一致，长度约30mm，间距约为300mm，定位焊在构件两侧交替分布，采用3.2mm以下的小直径焊条定位焊。焊接纵向构件。方案一：焊接采用CO2气保焊进行焊接，在构件的两侧同时对称焊接，每个分段约为4台焊机，从中央向两边对称焊接，焊接前检查焊材选用正确；将焊接区域的铁锈等清理干净，焊角的高度控制在5mm以内，焊角高度差要控制在0.5mm以内。方案二：焊接仍然采用CO2气保焊进行焊接，在构件的两侧同时对称焊接，每个分段约为4台焊机，从中央向两边对称焊接，焊接前检查焊
24、材选用正确；将焊接区域的铁锈等清理干净，焊角高度控制在5mm以内，焊角的高度差要控制在0.5mm以内，不同的是，焊接过程中，我们就对焊接变形进行矫正，也就是在焊接后，当焊缝的温度降到600摄氏度以下时，我们采用水冷的方法，及时水冷，那么焊接的变形就会比等到冷却到常温时的变形要小，这种方法的最大的难点在于对冷却温度难以精准判断，需要经过试验，计算出在特定的条件下，冷却到特定温度，需要多长时间适合水冷。(2)横向构件的焊接：横向构件的焊接与纵向构件相似，在安装定位后，在构建的一侧加适当的斜撑，以防止焊接引起的倾斜；在构件安装时，尽量少焊不必要的的卡码等临时固定件。焊接也是采用CO2气保焊进行焊接，
25、安排偶数焊工从中央向两侧施焊，采用退焊法施焊，焊角高度要求与纵向构件焊角高度要求一样。焊后检查焊接表面质量，进行修补处理。7.3.10 D917P分段的变形矫正和检查切割（1）变形矫正。在脱胎前，就直接对D917P分段进行矫正，然后采用机械矫正法，在变形部位压上5-10吨的压载铁。接下来对骨材的反面的马肋变形进行背烧，对较大的变形，需要通过外界的机械拉力，再进行火焰矫正。矫正后，保持加载2天以上，让分段的应力得到充分释放。火焰加热的温度要控制在550-650摄氏度之间，绝不允许低于250摄氏度，火焰的直径适合在15mm以上，矫正的原则是，先对变形较小的部位矫正，后对变形较大的部位矫正。对同一部
26、位加热次数不允许超过两次。（2）检查切割。由于5000CARS PCTC滚装船总装采用的是无余量组装，所以分段的检查切割是不可缺少的一道工序。在对分段变形矫正后，在切割前安排一次检查是确保D917P分段在总装前的保险措施，真正做到无余量总装的目的。符合要求后，在切割前首先进行划线处理，根据拼板的划线用激光仪开出角尺线，误差要控制在1mm以内，在根据角尺线测量出分段余量线、合拢对合线；测量分段制作的收缩量，做好记录和分析。余量的切割也是产生变形的工序，在对D917P分段余量切割时，采用等离子切割，切割严格对上余量线，偏差控制在1mm以内，切割后检查切口质量，对不符合要求的要进行处理，确保能顺利总
27、装。7.3.11碳弧气刨脱胎 经过了以上工序后，甲板的焊接已经完成，接下来就是把甲板从胎架上取下来，分段的脱胎处理只能用碳弧气刨刨除，严禁用火焰切割。7.3.12 D917P分段脱胎后去应力矫正从胎架上脱胎后，D917P分段在焊接过程中必然存在内应力和变形，所以对D917P分段的去应力矫正工序是非常重要的处理过程。D917P分段从胎架上脱离后，用专门的吊梁从胎架上把D917P分段起吊到门架上，起吊过程中，吊码要均匀的分布在横梁和纵行上，门架要求对应在分段的横梁下，门架的横梁加长到10m以减少分段在门架上悬空。变形矫正。把D917P分段运输到指定的矫正地点，进行火工去应力矫正。矫正部位是那些焊接
28、部位，火焰加热的温度要控制在550-650摄氏度之间，绝不允许低于250摄氏度，火焰的直径适合在15mm以上，对同一部位加热次数不允许超过两次。结论1. 船用薄板焊接的发展研究已经比较成熟；2. 船用薄板焊接的变形控制措施思路是分别从焊接前，焊接中，焊接后，三个方面控制；3. 船用薄板焊接前变形控制措施有：刚性固定法；保证小焊缝间隙；焊前采用较小的直径的焊条点焊，增加焊件刚度；反变形法；4. 船用薄板焊接中变形控制措施有：减小加热阶段产生的纵向塑性压应变；增加冷却阶段产生的纵向塑性拉应变；5. 船用薄板焊接后变形控制措施有：机械矫正；火焰矫正；6. 船用薄板焊接变形控制需要灵活运用，根据不同的生产条件和要求，制定灵活多变的焊接工艺。7. 严格执行船用薄板焊接变形工艺是防止薄板变形的最重要措施之一。参考文献1 田锡唐. 焊接结构. 机械工业出板社M2 谷莉. 减少薄板变形的几点措施. 甘肃科技J, 2003, 12(9):22233 李洪奇. 薄板焊接变形的控制和科技措施. 科技信息J4 王长生，薛小怀. 薄板焊接变形的影响因素及控制. 焊接技术J, 2005, 4(34):66685 尹群，张家新. 船舶薄板焊接变形的控制.
