摘要：基于多艘大型滚装货船建造检验实际情况，梳理了薄板焊接变形的部位和类型，针对不同变形采取了相应的控制方案和纠正措施，包括对船舶设计图纸的优化和现场施工工艺的控制。结果表明，薄板变形得到有效控制，船舶质量水平进一步提升。
关键词：船舶;薄板;焊接;变形
中图分类号：TG 443
Abstract：According to the shipbuilding inspections for many ro-ro cargo ships the hull steel sheet welding deformation and countermeasures were analyzed. The deformation was eliminated by optimizing the ship design drawings and the construction process. Through constant summary the hull steel sheet welding deformation was controlled effectively for follow-up ships and quality of ships was further improved.
Key words：ship; steel sheet; welding; deformation
0 前言
隨着造船技术的提升，船舶逐渐趋于大型化，货物装载量不断提升。以国内商品汽车滚装船为例，普遍载车量在800辆以上，载车甲板包括底舱、主甲板、上甲板和多层上层建筑甲板。由于船舶载车楼层数量多，船舶重心上移，船舶稳性受到考验，因此薄板加筋结构的应用显得尤为重要。焊接作为一种重要的工业制造手段，正被广泛应用于船舶建造中。宋娓娓等人[1]通过建立薄板焊接有限元模型，对薄板焊接温度场分布、应力场分布和变形规律进行了分析，结果表明焊接过程中薄板的平均温度逐渐升高并趋于准稳态状态，焊缝区域产生了拉应力，焊缝区域周边的母材金属则产生压应力。陈怀忠等人[2]对薄板加强筋结构焊接过程进行了有限元模拟，结果显示薄板加强筋结构焊后残余应力主要沿着焊缝分布，在远离焊缝处残余应力迅速减小，最大残余应力位于横向筋板与底板焊缝处。宗小彦等人[3]分析了薄板焊接烧穿和失稳变形的原因及影响因素。对于如何控制薄板焊接变形，石小清等人[4]结合薄板焊接的影响因素，从焊接顺序方面进行了梳理;李忠明等人[5]阐述了在作业中薄板焊接变形的控制措施，并从焊接工艺设计方面入手进行了实践验证;王顺俊等人[6]重点探讨了薄板箱体的焊接变形及其控制方法。薄板焊接变形后的校正难度较大，即使顺利校正，亦会影响其几何精度和装配性能，杜小明等人[7]、齐伟等人[8]和冯伟等人[9]从薄板变形矫正的方法进行了分析，归纳了几种有利于控制薄板焊接变形的矫正方法。然而，很多工作者大多从有限元模拟或者汽车、船舶的局部变形进行了分析，很少从整个船舶的建造角度去考虑如何控制薄板焊接变形。
文中主要基于多艘国内大型商品汽车滚装船建造中薄板焊接变形情况，将产生的焊接变形位置和种类进行了梳理。针对不同变形采取了相应的控制方案和纠正措施，包括对船舶图纸设计的优化和现场施工工艺的控制，通过不断总结，后续船薄板变形得到有效控制，船舶整体质量水平进一步提升。针对主要变形问题的分析，以期为广大同行做出有益参考。
1 变形种类及影响因素
国内大型商品汽车滚装船为了便于装载汽车，常采取大跨甲板加梁结构，载车甲板支撑支柱很少，仅仅依靠侧壁和中纵剖面支柱支撑，即从甲板中纵剖面到舷侧跨距10 m左右无强构件立体支撑，甲板结构容易变形，楼层高度控制难度较大。以某大型商品汽车滚装船为例，船舶总长120 m，船宽20 m，型深6 m，设计吃水3 m，装载车量850辆，车辆甲板7层，包括船舶底部车辆舱、主甲板、上甲板及上层建筑4甲板，车辆甲板仅在中纵剖面处设有支柱，便于车辆装载和停泊，如图1所示。
1.1 变形种类
由于车辆甲板板厚仅4～5 mm，支撑构件少，甲板结构在装配焊接过程中易变形，变形种类主要有：①波浪式变形，此变形为薄板焊接中最主要的变形;②纵向和横向收缩变形;③角变形;④弯曲变形;⑤扭曲变形。
在焊接过程中，不均匀的热输入造成不均匀、不稳定的温度场。随着焊接的进行，热源不断向前移动，焊缝单元温度瞬间升高至上千摄氏度，然后在数秒内冷却至500 ℃以下，焊缝经历了较强的快速加热和快速冷却[10]。同时，由于板材和构件的约束作用，近焊缝区产生拉应力而在远离焊缝的区域产生残余压应力，当焊缝的纵向收缩产生的压应力达到临界应力时，薄板结构将发生失稳变形[11]。
焊接变形位置主要集中在甲板合拢区域、纵骨接头区域、斜车道与上下甲板连接区域，以及中纵剖面到舷侧的局部甲板区域，上述区域普遍存在结构连接或结构突变较大的位置。
1.2 变形影响因素
焊接会引起局部加热，不可避免存在变形，然而合理的焊接工艺和正确的现场施工管理却能使焊接变形得到有效控制。焊接变形因素很多，此处主要针对参与建造的滚装货船变形情况说明，主要包括：
（1）焊缝布置不合理。由于车辆甲板带有角钢，甲板合拢位置与角钢位置不一致，相距300～500 mm，虽然有利于甲板合拢，减少甲板支撑，角钢接头处变形较大，进而影响甲板质量。
（2）焊接人员操作能力不足。焊接电压和焊接电流调节过大，焊接速度不一，焊缝余高往往较大，过大的热输入，势必出现较大的焊接变形。
（3）焊接管理方法不足。未严格按照焊接结构的安装焊接顺序施焊，未采取对称、分段跳焊等管理方法。
（4）辅助设施设备缺少。由于甲板支撑结构跨距较大，现场临时支撑和焊缝校平夹具不足。
（5）不当的校正方法。刚开始可能只有些许变形，但由于缺乏水火校正经验，导致更大范围变形，结构受损。
2 变形控制
针对该船变形情况，召集设计、质量、工艺、生产等部门和相关负责人进行总结，采取了一系列控制措施，包括焊前准备、焊接控制及焊后校核等方法，确保了船舶载车甲板变形得到有效控制。
2.1 焊前准备
（1）合理的焊縫设计，减少不必要焊缝，避免多次受热。图2为甲板构件接头与甲板合拢缝错开排列，减少了现场装配工作量，甲板下方临时支撑相对较少，但此种装配对甲板或构件变形影响较大。根据船舶建造工序，先进行甲板合拢缝焊接，但由于构件接头与甲板合拢缝间距较小，构件对接焊接时将对甲板合拢焊缝及附近区域二次受热，导致甲板局部应力无法完全释放，最终引起甲板或构件变形。
因此，现场采取图3所示板缝和构件对接缝排列，结构布置对称，并在合拢区设置适当数量的码板和临时支撑，保障层高间距和焊缝平齐，安排两名焊工同时从中间到两侧对称施焊，合拢区焊接应力得到释放，变形得到控制。对于小型船厂，为了减少构件支撑和装配工作量，若采取构件接头与合拢缝错开布置，建议错开间距500 mm以上。
（2）控制下料和合理装配。船用板材和构件采用数控统一下料，装配前尽可能校平、校直，消除其变形和内应力，采用剪边机、刨边机对钢板边缘进行加工，去除毛刺、锈迹，打磨光顺，提高钢板的边缘质量，保障装配间隙均匀，避免采取生接硬拽等强制装配方式。
（3）增加焊缝两侧刚性。在船台上合拢焊接时，为防止薄板的波浪变形而采取在焊缝两侧用压铁或辅助码板加固。由于该滚装船的载车甲板跨距大，从甲板中纵剖面到舷侧跨距10 m左右无强构件立体支撑，因此在合拢焊前需设置足够数量的临时支撑，增大焊接区域构件刚性，有利于减少焊接变形。
（4）焊缝布置应尽可能考虑与结构中和轴对称，在最大应力区域外。
2.2 焊接控制
焊接必须由持证焊工施焊，焊接方法严格按照焊接工艺评定进行。对于薄板焊接，重点要控制焊接方法和顺序、焊接工艺参数，同时对结构变形较大区域重点把握，主要体现在甲板间固定斜坡道与甲板的焊接、载车甲板与起居处所的连接、甲板合拢缝等位置。因此，焊接过程中采取如下措施。
2.2.1 固定斜坡道与甲板的焊接
对于滚装货船，甲板间固定斜坡道与甲板的焊接是焊接控制的难点与重点，该船载重甲板7层，设置了6个固定斜坡道，坡道形式如图4所示。
由于设置坡道处存在甲板大开口，结构突变较大，容易造成应力集中。因此，在现场装配和焊接时主要采取如下措施，以防止甲板发生较大变形。
（1）坡道与上层甲板采取对接焊接（陶瓷衬垫焊），如图5所示。坡道与下层甲板采搭接焊接（连续角焊），同时在搭接范围内采用塞焊（坡道与下层甲板），确保焊接质量满足要求。
（2）在坡道位置四周（甲板开口四周）范围内的甲板下方增设强力构件，保障甲板开口后的强度。同时，由于车辆从坡道行至甲板时会产生较大的冲击力，坡道与甲板连接处附近会承受较大的应力，因此要特别注意在坡道与甲板上、下连接位置处的甲板反面连续设置两道强横梁，否则此处甲板易出现较大变形。
（3）开口角隅处应力往往较大，在角隅处需设置1.5倍甲板厚的增厚板或与甲板等厚的腹板，以满足中国造船质量标准要求，此处采取与甲板等厚的腹板塞焊连接，腹板形式和焊接方式满足要求。
2.2.2 载车甲板与起居处所连接
滚装货船往往在甲板首部区域设置船员居住处所，因此涉及到载车甲板与起居处所围壁的连接，由于该船载车甲板仅中部存在纵向的支柱和两舷侧围壁支撑，其与起居处所围壁连接后往往因为结构突变而出现较大变形，变形位置如图6中圆圈标出区域。
根据实际变形情况，考虑到载车甲板与起居处所的连接后引起了结构的突变，导致此处应力较大，因此采取在连接位置附近的载车甲板下方增设1～2道强横梁结构，有效过渡了载车甲板的结构突变，变形得到有效控制。后续系列船根据修改图纸建造，未发现此处出现较大变形。
2.2.3 甲板合拢缝区域
关于甲板合拢在焊前准备中已有阐述，此处重点强调焊接时应注意焊接坡口的设计与现场焊前装配、打磨，坡口及50 mm范围内要求打磨光顺，无毛刺，确保焊前坡口质量良好如图7所示。由于滚装货船普遍采取箱型中纵桁材结构，即甲板中部设置“Π”形纵桁强力结构，甲板合拢时存在纵桁结构的对接，在焊接时有的采取甲板开孔焊接，有的采取开箱型梁腹板焊接。如果在甲板上开孔焊接，势必造成甲板结构焊接应力发生变化，容易出现焊接变形。因此，采取在箱型结构腹板上开孔焊接，最后用钢质衬垫封板完成整个箱型结构的对接。
2.3 焊后矫正
构件在下料、搬运和装配时的变形往往采取机械矫正，如：平板机、油压机、摩擦压力机等设备的矫正。矫正原理是促使钢板在外力作用下产生与变形相反的塑形变形;而构件焊后的变形多指局部变形，如：弯曲变形、角变形、波浪变形等，通常采取火焰矫正。
火焰矫正是通过控制加热和冷却产生新变形来抵消原变形，从而达到矫正的目的。由于金属材料热胀冷缩的物理特性，在变形部位进行加热，温度上升，继而膨胀，但其周围温度低（未加热），导致膨胀受阻，促使加热的部位产生了压缩塑性变形;停止加热并冷却后，膨胀处的材料收缩，新变形产生。也正因如此，在施工过程中，通常采用边加热边喷水冷却的方法，即能提高工作效率，又能提高矫正效果。
通过焊前和焊接过程的良好控制，此滚装货船的载车甲板仍存在少量凹凸变形，在矫正时采取如下措施：轻微变形采取点状锤击矫正，变形较大时采用点状加热并锤击矫正，必要时在水中加热，加热和锤击从凸起的四周逐渐到凸起部位。
3 结论
（1）基于滚装货船实际情况，重点分析了滚装货船的载车甲板变形常见位置主要集中在甲板合拢区域、纵骨接头区域、斜车道与上下甲板连接区域以及中纵剖面到舷侧的局部甲板区域，而使用合理的焊接工艺和正确的现场施工管理可以有效控制焊接变形。
（2）针对滚装船变形情况，采取了焊前准备、焊接控制及焊后矫正等一系列控制措施，确保了船舶载车甲板变形得到有效控制，进一步提升船舶质量水平。
参考文献
[1] 宋娓娓，汪建利，汪洪峰.薄板焊接变形分析[J].热加工工艺，2013，42（15）：164-169.
[2] 陈怀忠，许雪贵，高建强. 薄板加强筋结构焊接过程的有限元模拟[J]. 热加工工艺，2014，43（3）：177-183.
[3] 宗小彦，何建萍 王付鑫 等. 薄板焊接的特殊问题的研究现状[J].焊接技术，2015，44（2）：1-5.
[4] 石小清，唐娟娟. 薄板焊接的影响因素及解决方法[J].物理工程与管理，2011，33（7）：114-116.
[5] 李忠明，歐文连. 薄板焊接变形控制问题探究[J].工业技术创新，2016，3（4）：764-765.
[6] 王顺俊，朱昌宏. 薄板箱体的焊接变形及其控制[J].焊接技术，2015，44（3）：82-84.
[7] 杜小明，廖鑫海. 船舶薄板焊接变形及对策[J].企业技术开发，2012，31（19）：51-53.
[8] 齐伟，朱斌，成进，等.船体薄板的焊接工艺[J].金属加工（热加工），2013（2）：41-43.
[9] 冯伟，杨旭红. 火焰矫正方法在薄板焊接中的应用[J].金属加工（热加工），2016（24）：53-56.
[10] 舒兴楼，陈鹏宇. 浅谈船用薄板焊接变形的控制[J].船舶，2014，25（2）：54-57.
[11] Rakesh Kumar，Ulrich Dilthey，Dwivedi D K，et al.Thin sheet welding of Al 6082 alloy by AC pulse-GMA and AC wave pulse-GMA welding [J].Materials and Design，2009，30：306-313.