薄板变形控制

1. 概述

为确保汽车滚装船（PCTC船）的稳性，减轻船舶自重，降低重心高度，船舶主体结构以薄板为主，外板采用9~15mm的薄板；而大多在主甲板以上，大量采用了板厚仅5.5~7mm 薄板或高强钢薄板。因此，带来了薄板装配和焊接等过程中的变形，以及各项精度指标和质量要求控制难度增大的问题。

下面将通过我厂为挪威格拉姆汽车运输公司建造的6700PCTC汽车滚装船，以及为我国安吉物流公司建造的2000PCTC汽车滚装船为例，介绍在建造过程中的薄板装配和焊接等过程中的变形控制及措施。

2.薄板建造过程中变形原因

6700PCTC汽车滚装船总长为199.9m，型宽为32.26m，设计吃水深度为9m。该船有13层甲板，第13层甲板为露天甲板，不装载汽车，其他甲板为车辆甲板；第2、4、6、8 为活动甲板（板厚为6mm），各层甲板间采用活动坡道或固定坡道甲板连接。该船货舱区域的甲板层数较多，在整个甲板中第12、11、10、9、8（艏、艉）甲板为板厚6mm A级钢, 第1、3、7甲板为板厚11mm AH36级钢；第5甲板为板厚15mm 、AH36级钢。因船上各层甲板通风的需要，该船上设有大量的风道结构，且风道壁板及内部隔板均为6mm。

2000PCTC汽车滚装船总长为141.20m，型宽为24.4m，设计吃水深度为6m。该船有9层甲板，第9层甲板为露天甲板，不装载汽车，其他甲板为车辆甲板；第6层为活动甲板，各层甲板间仍采用活动坡道或固定坡道甲板连接。在整个甲板中第1甲板为10mm，第2、3、4甲板板厚为6.5mm，其中第5甲板板厚为14mm，其他甲板底6、7、8甲板为5.5mm，第9甲板为7mm的薄板，薄板量占全船甲板的比例较大。

从上述两个系列汽车滚装船的船体结构情况，可以初步了解到汽车滚装船特点就是板材较薄，厚度在 5.5~7mm；另外，其结构的横向构架间距较大，纵向骨材较为单薄（HP100mm×7mm、HP120mm×8mm或扁钢100mm×8mm），单个分段甲板片或壁板片的结构强度较弱，给建造过程中的切割下料、装配与焊接、火工矫正、放置、转运和翻身吊装等工序都带来了很大的困难，各道工序不正确操作都有可能对它产生影响, 并引起板架结构的变形；此外，甲板上还有大量的用于固定汽车的绑扎附件需要安装，这些舾装件的装焊也会带来薄板结构的变形。

另一个薄板变形的主要原因，是施工过程中各道工序不正确的装焊，使板架结构的应力未能得到有效释放；完工后通过强制矫正的方法，尽管解决了甲板平整度交验问题（甲板结构内应力仍然大量存在）；然而在甲板翻身、摆放、转运及冲砂涂装等各道工序中，受外力的作用，使甲板内在的应力逐步释放，造成后期甲板的严重变形。

因此，合理地安排装配顺序和焊接顺序，以及过程中的其他环节按规定和要求执行，都将有助于减少薄板结构的变形。关键还是控制好建造过程中的每一个环节和步骤，制定出相应的合理方法和手段，来降低薄板在建造过程中的变形。

3. 薄板装配焊接变形的控制措施

薄板的建造变形控制，目前是一个工艺技术性难题，要控制薄板的建造变形，不能单从某一个方面去考虑，而应该从板材的下料预制、装焊前准备、装焊的过程中控制、焊后处理，以及吊运摆放等多个方面综合考虑。下面以甲板分段和风道壁板建造过程中的几个方面阐述。

（1）下料预制过程的控制主要包括以下几点：

第一，7mm以下的钢板在预处理和数切后，必须进行两次校平，以释放板材的内应力。

第二，无论是手工切割、自动或半自动割刀，板材切割必须选用***割嘴切割，控制好相应的切割速度，以减小边缘的切割变形。

第三，切割后的薄板板材和构件吊运、翻身时，应采用电磁吊、多点吊、专用吊梁和吊夹具，不允许在板材上装焊吊码，进行单点吊运，以免产生板材和构件不必要的弯曲变形，同时，也为减少不必要的“码板”装焊、拆除和批磨等无用工序。

第四，拼板应在表面平整、刚度好的平台上进行，拼板间隙，埋弧焊拼板装配间隙应在0~1.0mm间；为了保证拼板平直度，可采用压铁或厚钢板在焊缝的两边进行刚性固定；其距焊缝的距离，以满足专用埋弧焊可行走操作的最小距离为宜。

第五，所有焊材应与所焊板材相匹配，严禁用大直径焊条和大电流施焊。焊后应用圆柱型压铁进行板缝处的滚压，或用木锤对焊接板缝进行锤击，以释放拼板焊缝的焊接应力，降低焊缝的“撅嘴”现象。

第六，对于板材局部间隙超差，应采用打磨或铲边的方法来修正，不得采用气割切割，以避免反复加热产生的“撅嘴”变形。

第七，型材在预制装配前必须进行矫直，不能将变形带入下道工序。

第八，对大量的风道隔板，因尺寸小、结构弱、数量大，故需采用专用胎架、焊接小车和放反变形的方法，进行批量预制，以减小焊接变形（见图1）。

图1

第九，所有壁板和甲板预制成形后，应放置在专用“门”字型平板托架上运输，以防转运和挤压产生的变形。

（2）分段建造过程的控制分段建造的胎架基座必须具有足够的刚性，并采取固定措施，不得使胎架处于自由状态，纵、横向模板间距应≤800mm；纵横向模板高为250mm左右，但厚度必须≥10mm，以确保分段胎架板不变形。

为了减小装焊变形，胎架板使用“7”字形卡板与胎架拉靠固定；卡板拉靠时应根据分段实际情况进行增设，严禁用耳板与胎架板和胎架直接焊接。

构件、型材应根据图样核对尺寸、形状和数量，变形或扭曲的型材修整或更换后方可安装，切忌强行组装；以免因造成整个板架的变形，而无法矫正。

安装构件时，定位应从中间向四周进行安装，先安装纵向的纵骨构件和绑扎碗，且严禁在板架上用“门架”强制装焊，要充分利用工装件，进行构件和舾装件的安装。

所有构件和板缝的焊接，均不宜超出焊接规格表中的要求，控制焊脚高度是控制板架变形的有效措施之一。

甲板纵骨的焊接应采用双数半自动角焊机，进行对称、间隔、交替从中间向两侧施焊；焊丝则选用φ1.0mm，注意控制焊接参数；细丝CO2气体保护焊的焊接热输入较小，可以大大减少焊接变形。

甲板上的汽车绑扎碗，采用双数绑扎碗专用焊机，同样从中间向两侧对称、间隔和交替施焊，以减小焊脚高度和焊接变形（见图2）。

图2

装焊纵、横向强构件和局部加强的加厚板，因加厚板处的加强构件都有开坡口的深熔焊或全焊透部位，造成此处焊接量大，应力较为集中，也一直是变形较大的区域；经过不断摸索，控制该区域的焊接顺序，并预留焊接应力释放口，所以使该区域的局部焊接变形得到了改观。

对于面积大且扶强材长的构件，应采用分段退焊法，焊接时应由中央向前后、左右方向进行，围绕中心采取跳焊法，不得集中在一个区域；同时应采用双数焊工对称焊接，且焊工人数不可超过6人。

为控制焊接变形，应先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；焊接时应严格遵守规定的焊接顺序，即应遵循由中间向四周，先对接后角接，先立角焊，后平角焊的顺序原则进行施焊。

平面板架组装施焊完成后，翻身使用双头半自动烘枪，对结构位置进行背烧处理，以释放装焊过程中的应力。

边缘的切割应尽可能采用自动或半自动割刀，无法用机械切割的部位，可用手工切割，但应采用靠模切割，尽量避免重复修割所造成的反复加热变形；割嘴均应采用小号割嘴。

为了保证平面组立沿口平直度，避免翻身、吊运时产生变形，沿口矫正后应加装绑材，在不影响后道工序情况下，绑材可带入到分段或船台中合拢和大合拢阶段。

甲板或壁板建造完工后，应使用特制转运托架运输，以防转运变形。

（3）分段中合拢和大合拢过程的控制合拢前严禁将甲板段和风道壁板在合拢口的绑材拆除，以免造成翻身吊运时边口变形；绑材需在合拢焊缝及结构焊接完成后方可拆除。装配和焊接过程中的控制同分段建造，在此不再重复说明。

（4）建造过程中的矫正控制施工过程中的火工矫正是不可避免的，如果这一关键的环节控制不好，将会造成适得其反的效果。

为此应遵循以下几个原则：

第一，板架的起伏波浪变形的矫正。应先在凹面两侧的骨架背部加热，待尚未完全校平时，在凸起的骨架背面之间用长条形或其他形式的加热法矫正。

第二，同一板格中凹凸变形的矫正。先在骨架背面采用单或双线加热，温度不宜过高；再在凹凸变形的交界处，采用长条形、短条形、中短直形或十字形加热进行矫正。注：条状加热比点状加热速度快、效率高，而点状矫正很容易使板材矫僵；不建议采用。

第三，板架边缘失稳变形的矫正。先用长条形加热法，矫正靠近变形部位的一段骨架处的起伏波浪变形和“瘦马”变形，再用三角形加热法，矫正板架自由边缘的失稳变形。

第四，拼板对接缝起折变形的矫正。先用短条形加热法矫正纵向弯曲，再用长条形加热法在焊缝两边加热矫正起折的变形。

第五，为避免由于局部加热面引起的立体分段总的变形，矫正的操作应自下而上的进行。而在矫正几幅毗邻并列的变形时，应间隔一幅进行矫正；这样间隔幅内的变形挠度会因毗邻板幅的收缩而减小，有利于加速矫正。

第六，在矫正两个相邻而刚性不同的结构时，应先矫正刚性较大的结构；而矫正板架结构时，先矫正骨材的变形，后矫正板材的变形。

第七，在矫正有开孔或自由边缘的板架结构时，应先矫正板架变形，后矫正开孔和自由边缘的变形。

板架结构矫正前后的对比如图3~图4所示。

图3

图4

4. 结语

通过上述过程的控制实施，总结出薄板结构板架建造的五个步骤，即：一纵（纵向构件的装焊），二横（横向强构件的装焊），三小（其他小部件的装焊），四关键（关键部位的焊接顺序），五矫正（遵循原则矫正）。通过以上方法，有效减少了甲板和壁板在建造过程中的变形，满足了船东船检对薄板装配和焊接等过程中各项精度指标和质量要求，同时为我厂后续的汽车滚装船的薄板结构建造积累了宝贵的经验。

作者简介：张芳杰，江苏金陵船舶有限责任公司。

文章来源：《金属加工（热加工）》2015年第10期。