高亚东 赵佳明
江南造船（集团）有限责任公司
摘要：本文首先阐述了焊接变形产生的机理，接着分析了影响船体结构焊接变形的因素，然后分析了船体结构焊接变形控制研究的方法，最后对船体结构焊接变形控制措施进行了探讨。希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。
关键词：船体结构；焊接变形；控制
引言：
在船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只要采取有效的方法和措施，如选择合适的材料，优化焊接工艺等，从而控制焊接变形，满足船舶强度和使用性能要求，达到良好的经济效益。
1 焊接变形产生的机理
1.1 焊接变形的内部因素
焊接变形量的大小受到焊接加工过程中的各种工艺规程和参数的影响，是个十分复杂的综合形成过程。焊接变形量的大小与焊接时热源的输入线能量成正比，不同的焊接方法对焊接变形量的大小有着明显的差异，例如焊接热源比较集中、热能量密度高的焊接方法，焊接变形量就会小一些。不同的焊接结构和不同的焊缝分布，对焊接变形量的大小影响也是十分明显，不同的装配和焊接顺序也对焊接变形有着很大的影响。
1.2 焊接变形的内部因素
现代电弧焊是一个点状、不均匀的加热和冷却热循环过程，加热时被焊金属受热中心区的温度通常在1500℃以上，以中心区向四周扩散，形成了一个温度场，离中心区越远温度就越低直至室温。从低碳钢的力学性能与温度的关系不难发现:低碳钢的塑性随温度升高而升高，但强度却随温度升高而下降，当温度大于650℃时，其屈服强度下降到接近0℃。这时金属受到力的作用就很易产生永久性的塑形变形，这个力主要来自焊接应力及外力。焊接加热过程时，近焊缝区的金属温度升高产生热膨胀，但远离焊缝的金属仍是常温并不膨胀，形成了整个焊件上近缝区的金属热膨胀受到了常温部分金属的阻碍和抑制，结果产生了塑形压缩变形，当焊接结束时，焊件上高温区被塑形压缩的部分无法再回复到原来的尺寸——缩短了，这就形成了焊接变形。只要采用了电弧焊，则焊接变形就一定会产生，但变形量的大小是由诸多加工因素所影响的，合理的调整焊接加工过程中的各个工艺参数和工艺规程，对变形量的减小和控制是十分重要和有效的。
2 影响船体结构焊接变形的因素
2.1 结构刚性
焊缝的横向和纵向收缩会受到结构刚性约束，刚性大的结构在焊缝收缩力作用下变形较小，刚性小的结构则变形较大，即焊接变形总是沿着结构刚性小的方向发生。
2.2 焊接方法
常用的手工焊接、自动焊接和气体保护焊接三种焊接方法造成的变形情况是不同的。通常情况下，自动焊接和气体保护焊接由于加热比较集中，所以变形率较小，而手工焊接的变形率则相对较大。
2.3 装配和焊接程序
一般情况下，整体装配完成后再焊接的变形率较小，而边装配边焊接的变形率则较大。另外，焊接程序的合理性会对变形率产生较大影响，不合理的焊接程序会明显增大焊接变形。
2.4 焊接面面积与焊接量
一般情况下，焊接面面积与焊接量的大小直接影响焊接变形率的高低，即面积越大且数量越多，则变形率越高。
2.5 焊缝位置
在焊接刚性不大的结构时，布置对称的焊缝会只产生横向和纵向缩短，但是布置不对称的焊缝则会引起弯曲变形。
2.6 焊接方向和顺序
焊接变形也直接受焊接方向和顺序影响。如进行长焊缝焊接时，直通焊接会导致较大变形，对称焊接则会减小变形，而从中间开始采用逐步退焊法或跳焊法则会更进一步减小变形。
3 船体结构焊接变形控制研究的方法
3.1 焊接方法
在船体结构焊接工作中，非常重要的一种工具就是移动电弧，最常使用的焊接方式主要有以下几种，一种是手工焊，一种是二氧化碳保护焊，一种是自动埋弧焊。通常，手工焊的热量集中度并不是很高，同时其在热强度方面也相对较弱，因此也会使得焊接中的变形情况和参与的应力不断的增大。所以在船体结合焊接的过程中，我们尽量不要使用手工焊接的形式，应该尽量使用二氧化碳保护焊和自动埋弧焊。
3.2 控制焊接工艺方案
在船舶制造的过程中，选择科学合理的焊接工艺方案能够有效的减少焊接变形，它也是所有方法当中最为有效的一种方法，其中，焊接工艺的操作顺序也会对变形产生非常重大的影响，弯曲变形尤其明显。在船舶制造的过程中，选择更加完善的工艺顺序可以有效的减少弯曲变形的情况，比如说纵向构架的双层底结构就在选择方案的时候就应该选择正态建造方案，同时分段的最大挠度也应该是反态建造方案的50%。
3.3 反变形法
反变形法是根据实验或理论计算预测焊接变形的大小和方向，在焊接前对船体构件或胎架施加与焊接变形方向相反的预变形，以此抵消焊接变形。反变形法可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。例如，在船体分段的胎架制作时，对胎架的结构进行反变形，有效地降低焊接变形。
3.4 系统综合分析
船舶产品的焊接变形涉及许多因素，一些因素具有不确定性，因此，任意单一方法都较难完全控制焊接变形。在工程中，以焊接变形预测为依据，从焊接参数选择、焊接工艺方案设计等多个方面同时开展，将可以较好的控制船体结构变形，提高船舶产品的建造精度。
4 船体结构焊接变形控制措施
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。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。
4.1 设计薄板结构
应校核和提高构件的稳定性，防止波浪变形。优先考虑型钢代替钢板，想方设法提高钢材的利用率，尽可能减少焊缝数量。尽可能选取小的焊缝尺寸，在保证结构承载能力条件下，综合施工工艺的可能性。为避免焊接后产生扭曲或较大弯曲变形，应尽可能使焊缝对称于截面中性轴，选用对称截面的结构。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 变形的火工矫正
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600℃～700℃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。
结束语：
综上就是对船舶焊接过程中出现的形变原因以及控制方法的论述，对于船舶焊接产生形变的问题我们不能因为已经有了有效的解决方法就掉以轻心，在进行船舶的焊接以及装配过程中不仅仅要加强技术的改善，还要加强监督与检测，对船舶的质量进行严格把关。
参考文献：
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