船舶制造相关工艺的应力与变形问题研究

吕海行　雷海森

摘 要：船舶制造是一项对制造精度要求较高的工程，其整体质量受多种综合因素的影响。应力集中和变形是对船舶制造质量影响较大的两个因素，对船舶的结构、强度及实用性造成了极大的影响，需采取相应的工艺对其进行有效控制。主要研究了船舶制造过程中应力集中、变形问题的控制策略，以期为后期船舶制造工程提供相应依据。

关键词：船舶制造；应力集中；变形；焊接工艺

中图分类号：U671 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.118

在船舶制造过程中，应力集中和变形是经常出现的问题，对船舶的整体质量产生了极大的影响。如果这两个问题得不到合理的控制，不仅会造成结构失稳、尺寸存在偏差、强度下降等不良后果，同时也会大大增加后期制造的难度。为保障船舶的整体制造质量，本文特立足于船舶制造过程中可能产生的相关问题，提出了有关解决应力集中和变形问题的几点建议，现作如下总结。

1 船舶制造过程中消除应力的策略

1.1 确保焊接工艺参数的合理性

焊接工艺参数是对应力产生直接影响的因素，其合理性的控制尤为重要。首先，应严格以船舶的实际焊接结构为基准，在条件许可的情况下，尽量以手工电弧焊等小焊接线能量为优选；其次，为尽可能地减少焊接的残余应力，应选择小直径焊条下限值焊接电流；最后，可选择焊速较快的中等焊接电流，以降低焊件的受热程度，由此将焊接的残余应力降至最低。

1.2 以科学的顺序焊接

焊接是一道需严格遵循科学顺序的工序，相关人员需足够重视。焊接时，首先，观察钢板和焊缝，对一端自由伸缩的可能性进行保留；其次，优先焊接不会对其他焊缝产生刚性拘束的焊缝；再次，如果构架与板接缝呈相交状态，且具有角接缝和对接缝，则优先焊接对接缝，然后再焊接角接缝；最后，进行分段、总段焊接时，应保持施焊的对称性，以分段中部向左右、前后为顺序，以双数焊工施焊，由此对结构均匀的收缩性形成保障。此外，如果各种构件均位于大接头的同一断面，则首先应焊接大接头的对接焊缝，然后焊接其他构件的对接缝和角接缝，由此促使大接头产生残余应力或减少残余拉应力。

1.3 对焊接的电流和电压进行控制

电流、电压的控制是船舶焊接焊缝过程中至关重要的一个环节，不仅影响着手工电弧焊的稳定性，同时也与焊缝成形情况有着密切的联系。通常情况下，焊接电流与焊缝熔深成正比——焊接电流越大，焊缝熔深越深；焊接电流越小，则焊缝熔深越浅。在焊接电流较大的情况下，表面堆高较易呈凸起状态；反之，则起弧的难度相对较大，同时也易使焊接电弧缺乏稳定性，甚至出现熄弧现象。但在电流过大的情况下，又极易产生飞溅现象，因此，电流并非越大越好，应将其控制在合理范围之内。在选择焊接电流时，为避免造成焊缝缺陷等现象，应尽可能使其与焊条直径相符，以将电流密度控制在合理范围之内。在电流密度过大的情况下，焊条呈发红状态，对正常焊接过程产生不利影响；在电流密度过小的情况下，电弧的稳定性将受到不良影响。一般来说，合理的焊接电流应为焊条直径的4倍，但如果焊接位置处于立、仰状态，应适当将电流降低20%.另外，焊接电流值还在一定程度上受焊接速度的影响——当焊接速度过快时，可能会导致裂纹、气孔、夹渣等缺陷的形成；当焊接速度过慢时，易导致母材受热过大，进而对船舶强度产生不利影响。因此，在选择焊接速度时，应以实际电流为基准，避免出现过快或过慢的情况。

2 船舶制造过程中变形问题的控制工艺

2.1 反变形法

反变形法的原理为：以焊后的实际变形情况为基准，预留出与其方向相反的变形，以对焊接后产生的变形现象起到相互抵消的作用。以此方法进行变形控制时，首先，应当对反变形的大小进行控制，确保其与焊接后的变形大小基本相符；其次，应确定反变形的具体数值，将其抵消作用发挥至最大；最后，应对可能产生影响的外界因素进行综合考量，确保反变形量的实用性，并在焊接过程中对其进行适当修正。

2.2 散热法

散热法的原理为：在焊接区域周围放置散热物体，用以加快焊件冷却速度，由此达到减少焊接受热区域的目的，从而减小变形。这一方法对于降低变形程度具有重要意义，但弊端在于，对于具有较大淬火倾向的材料而言，易在冷淬作用下造成焊接裂纹的出现。

2.3 刚性固定法

刚性固定法的原理为：利用强制手段降低构件焊后的变形程度。该方法主要通过简单工夹具或定位焊来对构件起到固定效果，使其在胎架或平台上的稳定性得以增强，由此避免变形问题的产生。该方法在低碳钢等塑性较好的材料中较为适用，在脆性较大的中碳钢等材料中则不宜应用，以免造成裂缝的产生。另外，应用该方法时，还应对其拆除时机进行准确把握，以免造成大范围的焊接变形。

2.4 机械矫正法

机械矫正法的原理为：将外力施加于焊缝及其周围区域，由此实现控制变形和降低收缩应力的根本目的。应用机械矫正法时，为发挥其最大作用，应以热状态的环境为宜。这是因为当金属处于热状态下时，其塑性可得到较大程度的增长，使材料保持在最佳状态。通常情况下，应用机械矫正法对低碳钢构件进行焊缝时，应将矫正的温度控制在150～200 ℃之间，以促使构件塑性保持在最佳状态，使矫正价值达到最高。

3 结束语

综上所述，在船舶制造过程中，采用相应的工艺对应力集中和变形问题进行适当控制，是确保船舶质量的重要前提。在选择工艺时，应严格以船舶的实际情况为基准，确保所选工艺具有可行性，以实现其价值的最大化。

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〔编辑：刘晓芳〕