《船舶薄板焊接變形工藝與精度控制手段》研究報告僅供查考00

1、船體薄板焊接變形與控制研究報告2010年10月引 言薄板焊接是工業(yè)施工中一項重要工作。許多產(chǎn)品由于產(chǎn)品重量考慮，需采用輕體薄板材料。美國、德國、俄羅斯等一些發(fā)達的軍事強國在建造大型或超大型睡眠艦艇時，出于對艦艇自身重量和艦艇速度的考慮，目前普遍采用高強度薄板厚船體鋼材，從而提高艦艇的戰(zhàn)斗威力。但是，薄板焊接的技術(shù)難題也隨之而來，開發(fā)新的焊接工藝，急需用于焊接生產(chǎn)。本文從焊接最基本原理講起，逐步深入，探討薄板焊接過程中的種種變形缺陷，從原理上剖析缺陷產(chǎn)生的原因，進而深入討論薄板焊接工藝，并且，本文研究與中國揚帆集團造船生產(chǎn)實際相結(jié)合，深入焊接生產(chǎn)一線，了解焊接工藝，為船用薄板焊接變形控制，提出方

2、案，為我國造船企業(yè)中，薄板焊接工藝提供參考。 2010年10月目 錄第一章 焊接變形初步認識11.1焊接加熱過程11.2焊接完成后11.3焊接變形1第二章 焊接溫度場研究分析22.1焊接時溫度橫向分布22.2焊接板塊表面溫度分析示意圖2第三章 焊接變形原因討論33.1縱向收縮變形33.2橫向收縮變形33.3繞曲變形33.4角變形43.5波浪變形43.6焊接錯邊43.7螺旋變形（扭曲變形）4第四章 焊接變形控制措施總結(jié)54.1焊接變形控制工藝措施54.2焊接變形控制設(shè)計措施54.3矯正焊接變形的方法5第五章 薄板焊接變形及控制65.1薄板定義65.2薄板焊接變形控制：6第六章 船舶薄板焊接變形控

3、制76.1船舶薄板焊接變形產(chǎn)生的原因76.2船舶薄板焊接變形的控制7第七章 實際生產(chǎn)中船舶薄板焊接變形控制方案87.1 d917p薄板片體分段結(jié)構(gòu)分析87.2 d917p薄板片體分段制作流程87.3 各工序施工工藝97.3.1 板材、球扁鋼、t型材表面除銹、噴防護漆97.3.2 板材校平97.3.3 等離子板材下料開孔、型材下料97.3.4 磨邊97.3.5 拼板97.3.6劃線107.3.7 球扁鋼拼焊117.3.8組件組立117.3.9構(gòu)件裝配、焊接117.3.10 d917p分段的變形矯正和檢查切割127.3.11碳弧氣刨脫胎127.3.12 d917p分段脫胎后去應(yīng)力矯正12結(jié)論13參

4、考文獻14第一章 焊接變形基本知識了解焊接過程中，溫度應(yīng)力的分布情況：1.1焊接加熱過程 焊接過程中，當(dāng)焊接溫度降低到600攝氏度以下時，焊接的板塊內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布情況如下圖所示。焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，遠離焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。1.2焊接完成后 焊接結(jié)束后，焊接的板塊內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布情況如下圖所示。焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，遠離焊縫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。1.3焊接變形焊接冷卻后，當(dāng)殘余應(yīng)力大于材料屈服應(yīng)力，則發(fā)生變形：第二章 焊接溫度場研究分析2.1焊接時溫度橫向分布焊接時溫度橫向分布情況，及產(chǎn)生應(yīng)力區(qū)域（ansys分析結(jié)果），溫度在600攝氏度以上不產(chǎn)生應(yīng)力，溫度低于600攝氏度以下產(chǎn)生塑性變形（

5、不可逆變形區(qū)），在遠離焊縫一定區(qū)域以外彈性變形區(qū)域（可逆變形區(qū)）。參照火工時不同的應(yīng)力區(qū)，進行火工。2.2焊接板塊表面溫度分析示意圖如下圖ansys分析結(jié)果第三章 焊接變形原因討論溫度變化引起殘余內(nèi)應(yīng)力，變形分類如下：3.1縱向收縮變形構(gòu)件焊后在焊縫方向上發(fā)生收縮，如下圖所示，虛線部分表示變形后的邊緣。焊接結(jié)構(gòu)焊后出現(xiàn)收縮變形是難以修復(fù)的，必須在構(gòu)件下料時加余量。3.2橫向收縮變形構(gòu)件焊后在垂直方向發(fā)生收縮，如下圖，焊接結(jié)構(gòu)焊后出現(xiàn)收縮變形同樣是難以修復(fù)的，必須在構(gòu)件下料時加余量。3.3繞曲變形 deflexion distortiona,縱向收縮引起的繞曲：由焊縫的縱向收縮引起。b,橫向收縮

6、引起的繞曲：由焊縫橫向收縮引起的。3.4角變形angular distortion焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角變形，常見的角變形如下圖所示，主要由于焊縫截面形狀不對稱，或施焊層次不合理致使焊縫厚度方向上橫向收縮不一致所產(chǎn)生。3.5波浪變形焊后構(gòu)件呈波浪形，如下圖，這種變形在薄板的時最容易發(fā)生。產(chǎn)生的原因是由于焊縫的縱向收縮和橫向收縮在拘束度較小結(jié)構(gòu)部位造成較大的壓應(yīng)力而引起的變形；或由幾條相互平行的角焊縫橫向收縮產(chǎn)生的角變形而引起的組合變形；或由以上兩種原因共同作用引起。3.6焊接錯邊 radius off-set joint 接頭錯位3.7螺旋變形（扭曲變形）第四章 焊接變形控制措施總結(jié)4.

7、1焊接變形控制工藝措施（1）反變形法；backward deformation（2）剛性固定法；rigid fastening（3）合理選擇焊接方法和規(guī)范；welding methods and standard（4）合理裝配順序；assemble sequence4.2焊接變形控制設(shè)計措施（1）合理選擇焊縫尺寸和形式；weld size and shape（2）盡可能減少不必要的焊縫；reduce unnecessary weldingf joint（3）合理安排焊接位置； arrange welding position4.3矯正焊接變形的方法（1）機械矯正法；machine rectif

8、ication（2）火焰加熱矯正法。flame straightening第五章 薄板焊接變形及控制5.1薄板定義一般指7mm以下的低碳鋼，大多數(shù)情況下不承受較大載荷，如船舶上層建筑。5.2薄板焊接變形控制：1、材料來源：可以將薄板壓制成各種端面形式，提高局部穩(wěn)定性；選用剛度比較高的鋼材。2、焊接控制：welding control正確的焊接焊接工藝： 采用具有較高的熔敷力技術(shù)和盡量減少焊道的辦法；必須采用具有小的熱輸入量。合理調(diào)整焊接順序焊前制定好的控制措施1. 剛性固定法；2. 焊逢間隙均勻； well-distributed gap3. 焊前采用較小的直徑的焊條點焊，增加焊件剛度；4.

9、反變形法。 焊接過程中控制措施a) 減小加熱階段產(chǎn)生的縱向塑性壓應(yīng)變；b) 增加冷卻階段產(chǎn)生的縱向塑性拉應(yīng)變；焊后控制措施i. 機械矯正；ii. 火焰矯正第六章 船舶薄板焊接變形控制6.1船舶薄板焊接變形產(chǎn)生的原因原因：焊接過程中的熱變形和焊接構(gòu)件的剛性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構(gòu)件剛性條件大約束，出現(xiàn)了壓縮塑性變形，就會產(chǎn)生各種應(yīng)力和殘余變形。變形的種類：縱向收縮；橫向收縮；角變形；縱向繞曲；橫向繞曲；波浪變形。6.2船舶薄板焊接變形的控制 正確選擇焊接方法和焊接材料：一、 盡量采用氣體保護焊；二、 長焊縫必須采用逐步退焊法、跳焊法、分段焊；三、 保證焊接質(zhì)量的情況下，采用小直徑、小電

10、流焊接方法；合理選用裝配焊接順序：一、 胎架進行分段整體裝配后，再按焊接順序進行焊接，這樣可以增加結(jié)構(gòu)剛性，對減小變形有利；二、 焊接的原則是先焊對接焊縫，后焊角焊縫，構(gòu)架應(yīng)先焊橫向構(gòu)架，后焊縱向構(gòu)架；三、 裝配時，應(yīng)盡可能保持間隙均勻，避免產(chǎn)生裝配初應(yīng)力；四、 對一些容易變形的構(gòu)件，在裝配時加一些臨時加強梁，以減小變形。對薄板結(jié)構(gòu)進行剛性固定后進行焊接： 采用剛性固定法，如：壓馬法、壓鐵法、四周固定法、加端板法、熄弧固定法、綜合運用法。第七章 實際生產(chǎn)中船舶薄板焊接變形控制方案本章節(jié)以5000cars pctc滾裝船中d917p薄板片體分段作為分析對象，對其焊接過程中的變形進行控制，結(jié)合實際

11、生產(chǎn)編寫如下焊接工藝流程。 7.1 d917p薄板片體分段結(jié)構(gòu)分析 d917p薄板片體分段的材質(zhì)為gl-a,它的主要尺寸為9600*12830*370(長*寬*高)，拼板的厚度為6.5mm，肋位間距為850mm，它的結(jié)構(gòu)也是甲板+縱骨+縱桁+強橫梁組成，其中縱骨為球扁鋼，一共有16根，間距為750mm，縱桁為組合t型材，在距中6m處貫通全船，強橫梁為組合t型材，一共有三根，間距為3400mm，結(jié)構(gòu)如圖所示： 7.2 d917p薄板片體分段制作流程經(jīng)過對焊接變形分析和對以往工序總結(jié)，d917p薄板片體分段制作流程如下：注：分段組立工序在模板胎架上進行7.3 各工序施工工藝7.3.1 板材、球扁鋼

12、、t型材表面除銹、噴防護漆板材施工前，由于板材在運輸，存放過程中受到外界各種因素的影響，板材表面必然存在大量的氧化物質(zhì)、油污等，所以d917p分段板材表面的除銹是施工前必不可少的一道工序，d917p分段板材采用電磁吊吊入噴丸機上，經(jīng)過噴丸機的表面噴丸處理后，d917p分段板材表面的氧化物質(zhì)、油污等基本能清理干凈。經(jīng)過噴丸處理完畢后，板材的焊接工序不可能立即進行，在接下來的工序中，板材需要經(jīng)歷很長的施工過程，所以在噴丸工序完成后，立即對板材表面噴涂一層防護層，在對d917p分段板材進行防護處理時，我們噴涂了一層保護漆e06-2無機硅酸鋅，保護漆的厚度大約在1520um。7.3.2 板材校平板材校

13、平工序中，按要求每一塊板材都要經(jīng)過校平機進行校平。d917p分段板材進行校平機時，須反復(fù)2-3次，確保充分校平和消除應(yīng)力，同時也能產(chǎn)生一定的預(yù)拉伸效果。校平后，板材要求用電磁吊進行吊卸，堆放在板材的托盤上，堆放時要注意確保平整，并檢查鋼材的外觀質(zhì)量是否符合要求，確保板材厚度的最大負公差為0.2 mm，否則需重新校平。7.3.3 等離子板材下料開孔、型材下料由于板材開孔和型材下料都會引起引起變形，同時也對后序焊接工序產(chǎn)生重要影響，所以必須從最初變形進行控制，因此d917p分段板材開孔、型材下料都采用等離子工藝。切割前檢查d917p分段板材的材料規(guī)格，板厚符合要求。板材的擺放要求平整。切割時，采用

14、等nc離子切割，切割后檢查切割板邊的的彎曲度要求控制在0.5mm以內(nèi)。切割完成后，要求對切口進行清理，對不符合要求的下料和開孔須進行返工修整，完成該工序后，把材料平整的擺放在型材專用的托盤上運到分段組立施工現(xiàn)場。7.3.4 磨邊 磨邊工序是保證拼板直線邊緣的彎曲度不超過1mm，如果d917p分段板材超過了規(guī)定范圍，須磨邊加工，磨邊加工的直線度控制在0.5mm以內(nèi)。7.3.5 拼板拼板焊接具體包括兩個過程，拼板的裝配和拼板的焊接。拼板焊接總的原則是，拼板的分作兩片，對稱焊接，拼板焊接結(jié)束后再合拼。以下具體介紹d917p分段拼板焊接的具體施工過程。1、 拼板的裝配經(jīng)過了以上的處理后，接下來，鋼板放

15、在托盤上，托運到指定的地點。用電磁吊將吊放在平地上，拉攏對齊，板縫的間隙控制在1mm以內(nèi)，板面的錯位控制在0.5mm以內(nèi)；采用小直徑的定位焊，焊條的直徑控制在3.2 mm以內(nèi)，焊前要求烘干，并用保溫筒保溫。定位焊焊接要求是焊縫中間的點焊間距要求是200mm，焊點長度為25mm；焊縫兩端的點焊間距要求是100mm,焊點長度為25mm，采用交錯法進行裝配固定。2、 拼板的焊接方案一：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150x150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側(cè)的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋

16、弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，正面的焊接電流為400-450a，反面的焊接電流為450-500a,焊接速度約為680-720mm/min，在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產(chǎn)生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應(yīng)力的作用。方案二：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150x150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側(cè)的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑

17、為3mm，正面的焊接電流為400-450a，反面的焊接電流為450-500a,焊接速度約為680-720mm/min，拼板焊接正面時，我們采用在待焊縫兩端下方各墊一塊高1mm，寬10mm，長200mm的墊板，確保墊板的中心線在焊縫的中心位置。在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產(chǎn)生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應(yīng)力的作用。方案三：拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、熄弧板，規(guī)格是150x150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側(cè)的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊

18、條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，正面的焊接電流為400-450a，反面的焊接電流為450-500a,焊接速度約為680-720mm/min，在焊前我們在待焊縫的兩邊100mm處，每隔1000mm，放置一對壓鐵，確保在焊接時，對焊縫剛性固定，減少焊接時產(chǎn)生變形。在進行拼板翻身時，起吊時要輕放，特別防止由于翻身產(chǎn)生變形。焊后要求進行變形檢驗，對焊縫用木錘進行錘擊，以達到消除應(yīng)力的作用。方案四：采用單面焊雙面成型法（fbc），在板材的背面加襯墊，襯墊的規(guī)格要求是采用陶瓷墊，襯墊的厚度為2mm，寬度為15mm。拼板的焊接采用埋弧焊焊接方法，拼板的焊接特別是要求加引、

19、熄弧板，規(guī)格是150x150，板厚與拼板的厚度等厚，引弧和熄弧的長度不小于50mm；在焊接前要求是將焊縫兩側(cè)的銹、油污、氧化物等清理干凈，不允許用火焰除銹。檢查埋弧焊的焊條焊劑以及焊接工藝參數(shù)是否選擇正確，規(guī)定要求選用的焊絲直徑為3mm，焊接電流為400-450a，焊接速度約為500-600mm/min。在這里我們運用了襯墊，增加了成本，但是增加的襯墊又有兩個優(yōu)點，一是,焊接過程中我們省去了翻轉(zhuǎn)拼板，；二是，增加了襯墊，相當(dāng)于在焊接前增加了一道反變形措施。拼版完成后，要求對變形部位進行初步的矯正，矯正方法可以選擇機械矯正或火工矯正。7.3.6劃線 劃線環(huán)節(jié)是組立焊接前重要的工序，正確的無誤的劃

20、線是防止焊接變形有效的措施。拼板上要求劃出結(jié)構(gòu)安裝線和汽車綁扎的開孔及安裝線，劃線開出的基準(zhǔn)角度線垂直度誤差要求在2mm以內(nèi)。劃線時要求加放收縮補償量，寬度上每檔要求加放1mm，長度方向上每檔肋位加放1mm。在拼板上對合及檢查線，供完工后檢查用。7.3.7 球扁鋼拼焊 由于從鋼廠購得的球扁鋼在長度方向上不符合甲板分段的設(shè)計要求，需要拼接球扁鋼，球扁鋼的拼接對甲板分段的變形影響尤其嚴(yán)重，我們在南通實習(xí)考察時，發(fā)現(xiàn)部分球扁鋼的焊接后的直線度已發(fā)生很大的變形，所以在焊接球扁鋼時，焊接參數(shù)尤為重要，我們要求采用手工焊焊接球扁鋼，焊接焊條直徑采用直徑為3.2mm，j422碳鋼焊條。球扁鋼焊接的直線度要控

21、制在0.5mm以內(nèi)，超過1mm以上需要刨邊處理，超過4mm以上的需要重新焊接。7.3.8組件組立d917p薄板片體分段中組件有縱桁和強橫梁兩大部分，它們均為t型，在小組立平臺完成裝焊、矯正工作。(1)組件組立安裝，施工者要對零件的尺寸精度和形狀精度進行檢查，腹板高度和面板寬度的誤差控制在2mm以內(nèi)，腹板和面板板邊的直線度誤差控制在2mm以內(nèi)。組立裝配時，腹板與面板要垂直，偏差要求在1mm以內(nèi)；腹板與面板的間隙控制在1mm以內(nèi)。組立后在腹板與面板間加足夠的斜撐，確保焊接時不會導(dǎo)致傾斜。(2)焊接前確認焊接材料選用正確，焊接區(qū)域的鐵銹、氧化皮、油污等清理干凈。焊接參數(shù)選用得當(dāng)，嚴(yán)格控制焊角高度，確

22、?？刂圃?mm以內(nèi)。(3)焊接后去除臨時斜撐等；檢查焊縫和組件的表面質(zhì)量并進行修補處理；檢查組件是否變形和傾斜，傾斜度要求控制在2mm以內(nèi)，腹板邊緣直線度控制在1mm以內(nèi)，根據(jù)火工要求進行矯正處理。7.3.9構(gòu)件裝配、焊接分段組立是焊接變形最大的工序，因此，分段的組立要求在模板胎架上進行。分段組立有兩部分，一部分是縱向構(gòu)件的焊接，包括縱骨和縱桁的焊接；第二部分是橫向構(gòu)件的焊接。以下我們具體介紹這兩部分的焊接工藝。(1)縱向構(gòu)件的焊接。包括了兩個步驟，安裝縱向構(gòu)件和焊接縱向構(gòu)件。安裝縱向構(gòu)件，檢查縱骨和縱桁的安裝邊的平直度，縱骨平直度要求控制在4mm以內(nèi)，縱桁的平直度要求控制在2mm以內(nèi)。構(gòu)件需

23、對線安裝，偏差控制在1mm以內(nèi)，構(gòu)件與甲板須垂直，傾斜控制在1mm以內(nèi)，構(gòu)建與甲板須緊密貼合，間距控制在1mm以內(nèi)，安裝定位焊要求均勻一致，長度約30mm，間距約為300mm，定位焊在構(gòu)件兩側(cè)交替分布，采用3.2mm以下的小直徑焊條定位焊。焊接縱向構(gòu)件。方案一：焊接采用co2氣保焊進行焊接，在構(gòu)件的兩側(cè)同時對稱焊接，每個分段約為4臺焊機，從中央向兩邊對稱焊接，焊接前檢查焊材選用正確；將焊接區(qū)域的鐵銹等清理干凈，焊角的高度控制在5mm以內(nèi)，焊角高度差要控制在0.5mm以內(nèi)。方案二：焊接仍然采用co2氣保焊進行焊接，在構(gòu)件的兩側(cè)同時對稱焊接，每個分段約為4臺焊機，從中央向兩邊對稱焊接，焊接前檢查焊

24、材選用正確；將焊接區(qū)域的鐵銹等清理干凈，焊角高度控制在5mm以內(nèi)，焊角的高度差要控制在0.5mm以內(nèi)，不同的是，焊接過程中，我們就對焊接變形進行矯正，也就是在焊接后，當(dāng)焊縫的溫度降到600攝氏度以下時，我們采用水冷的方法，及時水冷，那么焊接的變形就會比等到冷卻到常溫時的變形要小，這種方法的最大的難點在于對冷卻溫度難以精準(zhǔn)判斷，需要經(jīng)過試驗，計算出在特定的條件下，冷卻到特定溫度，需要多長時間適合水冷。(2)橫向構(gòu)件的焊接：橫向構(gòu)件的焊接與縱向構(gòu)件相似，在安裝定位后，在構(gòu)建的一側(cè)加適當(dāng)?shù)男睋?，以防止焊接引起的傾斜；在構(gòu)件安裝時，盡量少焊不必要的的卡碼等臨時固定件。焊接也是采用co2氣保焊進行焊接，

25、安排偶數(shù)焊工從中央向兩側(cè)施焊，采用退焊法施焊，焊角高度要求與縱向構(gòu)件焊角高度要求一樣。焊后檢查焊接表面質(zhì)量，進行修補處理。7.3.10 d917p分段的變形矯正和檢查切割（1）變形矯正。在脫胎前，就直接對d917p分段進行矯正，然后采用機械矯正法，在變形部位壓上5-10噸的壓載鐵。接下來對骨材的反面的馬肋變形進行背燒，對較大的變形，需要通過外界的機械拉力，再進行火焰矯正。矯正后，保持加載2天以上，讓分段的應(yīng)力得到充分釋放?；鹧婕訜岬臏囟纫刂圃?50-650攝氏度之間，絕不允許低于250攝氏度，火焰的直徑適合在15mm以上，矯正的原則是，先對變形較小的部位矯正，后對變形較大的部位矯正。對同一部位加熱次數(shù)不允許超過兩次。（2）檢查切割。由于5000cars pctc滾裝船總裝采用的是無余量組裝，所以分段的檢查切割是不可缺少的一道工序。在對分段變形矯正后，在切割前安排一次檢查是確保d917p分段在總裝前的保險措施，真正做到無余量總裝的目的。符合要求后，在切割前首先進行劃線處理，根據(jù)拼板的劃線用激光儀開出角尺線，誤差要控制在1mm以內(nèi)，在根據(jù)角尺線測量出分段余量線、合攏對合線；測量分段制作的收縮量，做好記錄和分析。余量的切割也是產(chǎn)生變形的工序，在對d917p分段余量切割時，采用等離子切割，切割嚴(yán)格對上余量線，偏差控