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[摘 要]变形是船体建造过程中的一种常见现象，其主要表现为焊接后的船体结构整体或局部产生变形，如果不采取及时有效的措施进行控制，会导致尺寸偏差、结构失稳等严重问题，给船体的后续焊接和装配带来极大的影响，不仅延误工期，甚至影响船舶建造质量。因此，开展船体结构焊接变形控制技术研究具有重要的意义。本文从船体结构焊接变形的种类、其产生的原因以及影响因素等多方面进行了探讨，并提出了控制船体结构焊接变形的一些技术和方法。
[关键词]船体结构；焊接；变形控制
中图分类号：U671.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0158-01
1 引言
在现代造船中，船体结构焊接占据着相当大比例的工作量。在焊接过程中，由于船体结构的特殊性，会导致其焊接后出现局部或整体的变形现象，如果不对其采取及时有效的预防和控制措施，将会导致尺寸精度下降、焊接结构失稳和承载强度降低等严重后果，这不仅会给船体的后续焊接和装配带来极大的影响，造成工程进度的延误，还会使船舶质量无法达到规范和标准规定的质量要求，造成无法换回的损失。因此，根据船体结构焊接变形的产生原因和影响因素，研究船体结构焊接变形的预防和控制措施，对于缩短船舶建造周期和提高船舶建造质量都具有重要的现实意义。
2 船体结构焊接变形的种类和产生原因
船体结构焊接变形可大致分为整体变形和局部变形两大类。整体变形是指整个船体的形状和尺寸发生变形，主要包括收缩变形、弯曲变形和扭转变形等类型；局部变形是指船体的某一小区域内发生变形，主要包括角变形、波浪变形、弯曲变形和错边变形等类型[1]。
对于船体结构来说，其焊接变形是由多种因素交互作用造成的，但主要原因包括焊接热应力、焊接残余应力和外力三种。焊接热应力是由焊接过程中的金属加热不均匀产生的，即在焊缝和热影响区的金属与常温金属不同热膨胀的共同作用下产生了压缩塑性变形，其变形程度与施焊时的热输入量成正比。焊接残余应力是由焊接结束后的焊缝金属收缩与常温金属刚性固定共同作用产生；而外力是指焊接过程中的磕、碰、摔、撞或过载等产生的力。
3 影响船体结构焊接变形的因素
（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）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。
（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。
（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。
（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。
（6）焊缝长度和坡口形式。一般焊缝越长则焊接变形越大，坡口内空间越大则焊接变形也越大。
（7）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[2]。
（8）焊接工艺参数。一般而言，焊接变形还与电压、电流和焊接速度等工艺参数相关，减少电压和电流参数并加快焊接速度可适当减少焊接变形幅度。
4 控制船体结构焊接变形的措施
4.1 船体设计方面
在进行船体设计时依据焊接变形规律采取有效的控制措施，对于控制船体结构焊接变形具有极大的作用。在保证船舶结构强度和使用性能的前提下，可采取以下措施来减少焊接变形。
（1）采用船体分段建造法，使焊接变形力度有效分散，以减少船体总焊接变形；
（2）焊缝应尽量保持对称性布置，并使其尽量靠近结构中心线，以减少弯曲变形；
（3）在确保船体结构强度的前提下，尽量减少焊缝截面尺寸，以减少收缩变形；
（4）适当采用冲压件来减少焊缝数量和长度，并合理选择坡口形式；
（5）在装配焊接时，使用简单装配焊接卡具来提高装配质量。
4.2 建造工艺方面
4.2.1 正确选择焊接工艺，严格遵守焊接程序
合理的焊接工艺和焊接程序是减小船体结构焊接变形的有效方法，因此在进行具体施焊操作时应遵循以下基本原则。
（1）在进行船舶的整体建造或分段建造时，都应该从结构中央开始，然后向前后左右逐格进行对称焊接。
（2）在进行船体外板或甲板的对接缝焊接时，错开板缝应先横向后纵向焊接焊缝；而平列板缝则应先纵向后横向焊接焊缝。
（3）在进行总段大接缝等应力较大的接缝焊接时，应进行连续不中断的施焊，直至完成为止。
（4）不同长度的焊缝要采用不同的焊接法。如进行长焊缝（≥1m）焊接时，可采用分段退焊法、交替焊法、跳焊法等焊接法；而进行中等长度焊缝（0.5～1m）焊接时，则应采用分中对称焊法。
（5）当单层焊缝和多层焊缝同时存在时，应先焊收缩量较大的多层焊缝，再焊单层焊缝，并且条件允许时，多层焊缝的各层焊缝应采用彼此相反的焊接方向，并错开各焊缝的接头。
（6）当对接焊缝和角接焊缝同时存在时，应先焊对接焊缝，再焊角接焊缝，并且角接焊缝端部应按规定进行加强。
（7）进行具有对称中心线的构件焊接时，应由双数焊工进行对称焊接。
（8）对于构件靠近总段大接缝一侧的角焊缝，应在大接缝焊接后再进行施焊。
（9）为了便于船台装配时的对接，应在分段外板的纵向接缝和外板与纵向构件的角接缝两端预留出200～300mm暂不焊接。
4.2.2 采用反变形工艺措施
所谓反变形工艺，就是指根据经验或理论计算对焊接变形的大小和方向进行提前预测，然后在焊接前对船体构件或胎架预先施加一个反变形数值，其大小基本等于船体焊接后的变形值，且方向相反。合理采用反变形工艺可以有效降低残余应力和控制焊接变形，从而达到减小甚至消除焊接变形的目的[3]。例如装配时加放焊缝收缩余量、放样时预放反变形量、在制作船体分段的胎架时对胎架结构进行反变形等都属于反变形工艺。
4.2.3 应用刚性固定法约束控制
所谓刚性固定法是指将船体构件固定于具有足够刚性的平台或胎架上来限制焊接变形，待所有焊缝冷却后再去掉刚性固定的方法。该方法一般用在无反变形的情况下，可有效控制船体结构焊接变形，特别是对角变形和波浪变形，构件的变形远小于自由状态下焊接产生的变形，控制变形效果明显。虽然刚性固定法需要耗费较多材料，增加了施工成本，但只要科学地应用该方法，就可以有效避免变形，从而缩短施工工期，带来效益。
5 结束语
由此可见，影响船体结构焊接变形的因素多种多样且及其复杂，要想完全避免是不可能的。因此，在实际的船舶建造过程中，船舶建造人员要根据船体结构特点，合理应用有效的变形控制方法和措施，如严格遵守合理的焊接程序、应用反变形工艺、优化装配和焊接工艺等，只有这样才能有效地控制船体结构焊接变形，从而满足船舶的质量和使用性能要求，并降低成本，缩短船舶建造周期，获得更好的经济效益。
参考文献
[1] 徐东，金烨，杨润党等.船体结构焊接变形预测与控制技术研究进展[J].舰船科学技术，2010（32）.
[2] 张宁园，张绪旭.船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013（07）.
[3] 巩新，苏振国，李丹.论船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中国科技博览，2013（24）.
[关键词]船体结构；焊接；变形控制
中图分类号：U671.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0158-01
1 引言
在现代造船中，船体结构焊接占据着相当大比例的工作量。在焊接过程中，由于船体结构的特殊性，会导致其焊接后出现局部或整体的变形现象，如果不对其采取及时有效的预防和控制措施，将会导致尺寸精度下降、焊接结构失稳和承载强度降低等严重后果，这不仅会给船体的后续焊接和装配带来极大的影响，造成工程进度的延误，还会使船舶质量无法达到规范和标准规定的质量要求，造成无法换回的损失。因此，根据船体结构焊接变形的产生原因和影响因素，研究船体结构焊接变形的预防和控制措施，对于缩短船舶建造周期和提高船舶建造质量都具有重要的现实意义。
2 船体结构焊接变形的种类和产生原因
船体结构焊接变形可大致分为整体变形和局部变形两大类。整体变形是指整个船体的形状和尺寸发生变形，主要包括收缩变形、弯曲变形和扭转变形等类型；局部变形是指船体的某一小区域内发生变形，主要包括角变形、波浪变形、弯曲变形和错边变形等类型[1]。
对于船体结构来说，其焊接变形是由多种因素交互作用造成的，但主要原因包括焊接热应力、焊接残余应力和外力三种。焊接热应力是由焊接过程中的金属加热不均匀产生的，即在焊缝和热影响区的金属与常温金属不同热膨胀的共同作用下产生了压缩塑性变形，其变形程度与施焊时的热输入量成正比。焊接残余应力是由焊接结束后的焊缝金属收缩与常温金属刚性固定共同作用产生；而外力是指焊接过程中的磕、碰、摔、撞或过载等产生的力。
3 影响船体结构焊接变形的因素
（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）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。
（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。
（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。
（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。
（6）焊缝长度和坡口形式。一般焊缝越长则焊接变形越大，坡口内空间越大则焊接变形也越大。
（7）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[2]。
（8）焊接工艺参数。一般而言，焊接变形还与电压、电流和焊接速度等工艺参数相关，减少电压和电流参数并加快焊接速度可适当减少焊接变形幅度。
4 控制船体结构焊接变形的措施
4.1 船体设计方面
在进行船体设计时依据焊接变形规律采取有效的控制措施，对于控制船体结构焊接变形具有极大的作用。在保证船舶结构强度和使用性能的前提下，可采取以下措施来减少焊接变形。
（1）采用船体分段建造法，使焊接变形力度有效分散，以减少船体总焊接变形；
（2）焊缝应尽量保持对称性布置，并使其尽量靠近结构中心线，以减少弯曲变形；
（3）在确保船体结构强度的前提下，尽量减少焊缝截面尺寸，以减少收缩变形；
（4）适当采用冲压件来减少焊缝数量和长度，并合理选择坡口形式；
（5）在装配焊接时，使用简单装配焊接卡具来提高装配质量。
4.2 建造工艺方面
4.2.1 正确选择焊接工艺，严格遵守焊接程序
合理的焊接工艺和焊接程序是减小船体结构焊接变形的有效方法，因此在进行具体施焊操作时应遵循以下基本原则。
（1）在进行船舶的整体建造或分段建造时，都应该从结构中央开始，然后向前后左右逐格进行对称焊接。
（2）在进行船体外板或甲板的对接缝焊接时，错开板缝应先横向后纵向焊接焊缝；而平列板缝则应先纵向后横向焊接焊缝。
（3）在进行总段大接缝等应力较大的接缝焊接时，应进行连续不中断的施焊，直至完成为止。
（4）不同长度的焊缝要采用不同的焊接法。如进行长焊缝（≥1m）焊接时，可采用分段退焊法、交替焊法、跳焊法等焊接法；而进行中等长度焊缝（0.5～1m）焊接时，则应采用分中对称焊法。
（5）当单层焊缝和多层焊缝同时存在时，应先焊收缩量较大的多层焊缝，再焊单层焊缝，并且条件允许时，多层焊缝的各层焊缝应采用彼此相反的焊接方向，并错开各焊缝的接头。
（6）当对接焊缝和角接焊缝同时存在时，应先焊对接焊缝，再焊角接焊缝，并且角接焊缝端部应按规定进行加强。
（7）进行具有对称中心线的构件焊接时，应由双数焊工进行对称焊接。
（8）对于构件靠近总段大接缝一侧的角焊缝，应在大接缝焊接后再进行施焊。
（9）为了便于船台装配时的对接，应在分段外板的纵向接缝和外板与纵向构件的角接缝两端预留出200～300mm暂不焊接。
4.2.2 采用反变形工艺措施
所谓反变形工艺，就是指根据经验或理论计算对焊接变形的大小和方向进行提前预测，然后在焊接前对船体构件或胎架预先施加一个反变形数值，其大小基本等于船体焊接后的变形值，且方向相反。合理采用反变形工艺可以有效降低残余应力和控制焊接变形，从而达到减小甚至消除焊接变形的目的[3]。例如装配时加放焊缝收缩余量、放样时预放反变形量、在制作船体分段的胎架时对胎架结构进行反变形等都属于反变形工艺。
4.2.3 应用刚性固定法约束控制
所谓刚性固定法是指将船体构件固定于具有足够刚性的平台或胎架上来限制焊接变形，待所有焊缝冷却后再去掉刚性固定的方法。该方法一般用在无反变形的情况下，可有效控制船体结构焊接变形，特别是对角变形和波浪变形，构件的变形远小于自由状态下焊接产生的变形，控制变形效果明显。虽然刚性固定法需要耗费较多材料，增加了施工成本，但只要科学地应用该方法，就可以有效避免变形，从而缩短施工工期，带来效益。
5 结束语
由此可见，影响船体结构焊接变形的因素多种多样且及其复杂，要想完全避免是不可能的。因此，在实际的船舶建造过程中，船舶建造人员要根据船体结构特点，合理应用有效的变形控制方法和措施，如严格遵守合理的焊接程序、应用反变形工艺、优化装配和焊接工艺等，只有这样才能有效地控制船体结构焊接变形，从而满足船舶的质量和使用性能要求，并降低成本，缩短船舶建造周期，获得更好的经济效益。
参考文献
[1] 徐东，金烨，杨润党等.船体结构焊接变形预测与控制技术研究进展[J].舰船科学技术，2010（32）.
[2] 张宁园，张绪旭.船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013（07）.
[3] 巩新，苏振国，李丹.论船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中国科技博览，2013（24）.