船舶薄板焊接防变形技术

hmcb

For the same horse power of the marine desiel, to minimize the hull weight is the key factor in order to raise the steel ship speed. At present, thin high and higher tensile steel plates are widely used for hull structures. In such case, how to deal with the plate welding deform has become a headache technical problem. The auther made a full study on this problem and finally summarized a series of practical welding techniques for the thin hull plates. The new techniques have been justified successfully during the ship construction.

　　钢船体由铆接改为焊接是一个划时代的变革，但同时又带来一个焊接变形问题，特别是厚度为2-4毫米的薄钢板焊接变形尤为严重，如何防止和控制薄板焊接变形是一个世界性问题。为解决这个问题各船厂都在不断探索，但到目前为止都还没有一套有效、完整的措施。

　　薄板船体焊接变形主要表现为：一根根肋骨构架印形于表的所谓“瘦马现象”；在纵向呈较大面积高低不平的“波浪变形”；在板格范围内局部高低不平的“凹凸变形”；由火工和敲打造成的“橘子皮效应”。这些不同形式的焊后变形严重地影响了船体的外观质量。



　　船舶为了航速的需要尽量减轻船体重量，采用了高强度或较高强度的薄钢板，如上层建筑采用δ=2.5-4毫米较高强度的903钢板，加工、装配后有较大的内应力，焊接后会比普通钢板产生更大的变形；同时，上层建筑在设计中不参与总强度计算。这样对上层建筑的建造来说，防止薄板焊接变形便成了主要的质量问题。

　　导致薄板焊接变形的影响因素很多，目前对薄板焊接防变形技术的研究，主要侧重于工艺技术的研究。在进行了大量的调查研究和工艺试验后，在生产中摸索出一套行之有效的控制方法，主要措施如下。

　　优化板缝布置，精确控制余量

　　优化板缝布置 在施工设计图纸上，板缝的布置是根据船舶结构设计和板材的规格来决定的。实际采购的板材规格往往与设计的规格有所不同，需要重新布置板缝；同时设计图纸中的板缝布置往往对工艺性考虑不周，容易引起焊接变形。所以开工前必须仔细分析板缝布置情况，将实际的数据进行优化排列，以减少焊接引起的弯曲变形。优化板缝布置的四个原则为：尽量把焊缝布置成与中心轴相对称；在满足规范的前提下，把板缝设置在结构件附近，借助结构件的刚性来减少焊缝变形；在多板组成的壁板和平台尽量使用大板，减少焊缝数量；在焊缝相交中尽量布置成“十”字接头，避免“T”字接头的出现。

　　讲究余量分布，提高无余量下料装配率 为了保证薄板结构装配的尺寸，在传统的施工工艺中，一般结构都留有一定的余量，留待装配时再进行切割。这样的施工方法，虽然能保证分段尺寸的质量，但由于在装配过程中的二次切割，增加了受热的变形和内应力，对分段变形的控制和后续工序的施工都带来了不利的影响。经分析确定，改变传统做法，采取在分段接头处单边留有余量，其它位置一律改为不留下料余量，使大部分板材下料剪切一次成功。采取这样的措施，在施工中可减少加热次数和加热量，有效控制装配过程薄板的变形。

　　实行焊后滚平和无码焊接技术

　　板缝焊后滚平 薄板焊接无论事前采取何种预防措施都只能减少变形量而不能消除变形，焊接后变形是难免的。按传统工序拼板焊后安装构架，这样板部位变形很难处理，靠火工校正，一方面很难收到理想效果，另一方面火工多了又会出现橘子皮现象。采取构架安装前先消除拼板焊接变形的措施，把切割好的薄板放在固定平台上装焊，焊后用十三星滚平机滚压消除焊接变形。由于用机械的方法消除焊缝的焊接变形，减少了火工工作量，也为构架安装和最终减少总体变形打下了基础。

　　推行无码焊接 在以往的造船中，焊了许多拉码把钢板固定于胎架上是保证线型和防止变形的主要工艺，这种方法给薄板带来的码脚印和弧坑，需进行大量的割、批、补、磨等工作。既增加了变形又损伤了钢板，为改变这一状况，采用无码焊接技术，可有效控制薄板焊接变形。现行施工工艺采用的无码焊接工艺是：
　　使用磁吸码，用磁力把钢板固定于胎架上，不至损伤钢板，也避免了繁杂的修补工作。
　　以压代拉，在平台或胎架上安装板材时采用压铁压紧来实现线型吻合和防止变形。
　　先装构架后焊板缝，确实需要在胎架上焊接的板缝，也要改变传统的先焊板缝后装构架的做法，采用拼板后先进行构架安装，装好构架后一起烧焊，利用构架来限制板的焊接变形。
　　限制使用工艺拉条，在上层建筑分段、总段装配中不轻易采用焊拉条和支撑，尽量利用纵横壁板自身相互的支持来实现定位，必须要焊支撑或拉条时也只能焊在构架上，绝不允许焊在板中。

　　实施全方位CO2气体保护焊
　　薄板的焊接变形是因为板材受到不均匀的局部加热和冷却的影响，内部产生了不均衡应力所引起的，变形的大小与输入的热量有密切的关系，减少热量的输入是控制变形的有效措施。采用下面公式计算手工焊和CO2保护焊的能量输入，分析对比发现，采用CO2气体保护焊可大大地减少热量的输入。

                     Q=0.2ηUI/V

　　式中：
　　Q为焊缝焊接线能量；
　　η为电弧热利用系数；
　　U为电弧电压；
　　I为焊接电流；
　　V焊接速度。
　　经计算对2-4毫米的薄板采用CO2气体保护焊的线能量仅为手工焊的30-40%，可见用CO2气体保护焊对控制焊接变形是十分有效的。
　　根据理论和试验研究成果，自行改造MZ-400型自动焊机控制箱，改进电压负反馈电路，减少车间电网波动对焊接的影响，解决埋弧自动焊在4毫米板的平对接焊，达到美观平整，熔深达到焊接规定。改造CO2焊机解决小于3毫米板的平对接和平角焊，也达到理想的效果。选用KS—1型（日产）CO2全方位垂直自动焊机解决分段对接自动焊。在进行了充分工艺试验的基础上，确定了不同部位/不同板厚选用不同型号焊机以及用不同的参数，解决上层建筑全方位使用CO2气体保护焊，对上层建筑薄板防变形起了关键的作用。

　　严格控制和准确使用火工技术
　　火工校正是薄板防变形技术的最后一道措施，但火工校正是一理论性强、技术复杂的工作，用得不好反而给薄板带来新变形和新问题。对船上上层建筑薄板使用火工校正技术，在做了大量模拟变形火工试验研究，并做了几十种火工技术预案后，明确火工技术实施的控制原则，改变传统使用火工校正工艺选用较低热值的DKL工业气体。经过试验研究和建造实践，摸索出一套对903薄板变形矫正行之有效的办法。明确了不同的变形要选择不同的加热方法（主要用条形法、圆圈法、链状法和“十字法”）来解决，不同结构和不同部位要采用不同的方式处理，同时其操作方法和选择工作参数也要不同，不同板厚的903板选择不同工作参数如下表：

板厚(mm) 2-3 4-5
加热喷嘴(号) 1 1
加热测试温度(°C) <550 <600
加热宽度(mm) 10-20 10-20
水火距离(mm) 100 100
移动速度(mm/s) 30-40 20-30



　　采用火工校正方法的原则如下：
　　下料和构件组装所产生的变形必须校正后再上分段安装；
　　在分段建造完成后只对骨材吊装接口边缘的变形进行火工校正，减少火工加热次数；
　　在校正施工中要严格执行规定的工作程序和选定的火工参数，特别是要严格控制加热温度不得随意更改；
　　绝对禁止用铁锤敲击，必须锤击时只能用木锤和塑料锤；
　　903钢板温度在200-350℃区间为兰脆区，在该温度内禁止任何形式的锤击，以免产生微裂纹；
　　对板的局部凹凸变形采用小火圈加热形式，火圈直径为20毫米，从外到内，火圈疏密视情况而定；
　　板的纵向波浪在加强材两侧边缘条形加热火路距离构架5毫米，采用隔档加热的办法控制总体变形；
　　构架变形可采用加外力和烧火结合的办法，用外力帮助校正变形；
　　板缝角变形用条形加热法；
　　同一部位加热次数不得超过3次。

　　前面提及的四个方面是解决903薄板焊接防变形的主要措施。实际生产中还应采取其他措施：如采用先滚平再剪切下料；对扭曲变形的板，先火工校正再滚平下料，下料后再次滚平，最后送去装配。考虑到薄板从下料到装配、焊接成型需要多次吊运，以往吊运引起变形也相当严重，所以必须
改进吊运方法和条件，在薄板加工全过程吊运采用磁吸吊机，对加工后尺寸大小不一或有形的工件采用专制钢板吊架床转运。采取这些措施，可有效控制吊运环节产生变形。在上层建筑分段制作中还采用预舾装工艺等，这些都是有效控制薄板焊接变形的措施。
　　采用上述综合措施后，最终质量结果达到：上层建筑、壁板平台光顺平直，没有瘦马现象，没有橘子皮出现，没有明显的波浪变形，没有码脚印痕和电弧坑。经过实船测量两肋间的局部变形几乎为零，不管焊缝部位还是非焊缝部位，只有个别位置有局部变形，其最大值都没有超过规范的要求。
　　在火工后对整幅壁板的变形测试，所有内外纵横壁板从头到尾整幅直线度最大偏差也只有5毫米左右。

k951sjj606

1.3.1提高汽车用材料的耐蚀性，合理选用耐蚀材料
$ R! d) |; O1 a& `) Y" o7 w+ j5 y6 y. K+ w3 W; [# z7 N7 k# Q& X
广泛采用不锈钢，例如用不锈钢制作客车车身面板、装饰条、装饰件、排气系统等；采用铝合金制作车身面板、顶盖、骨架、车轮轮毂、热交换器等；采用高分子材料，如玻璃钢制作客车顶蓬、载货车驾驶室、保险杠、前后翼板、电瓶架、燃油箱等。

k951sjj606

2.1.1电镀锌钢板[6]

电镀锌板是汽车制造业中应用的重要品种。电镀锌板优点很多，其耐蚀性、油漆附着性、镀层均匀性、成形性均较优越，在生产中也易精确控制厚度，还较容易获得汽车业需要的单面镀锌板，或差厚镀锌板等品种。

镀锌板的耐蚀性源于2个因素。第一是镀层具有良好的阻隔大气腐蚀环境的作用。镀锌层在大气腐蚀环境中会形成一层薄且致密的附着性很强的腐蚀产物，这层腐蚀产物的组成是氧化锌、氢氧化锌、ZnCl2或ZnC03等，它们能较好地屏蔽大气与锌层的接触，镀锌层又能很好屏蔽大气循环与钢基体的接触。第二是镀锌层的标准电极电位为-0.76 V，负于钢铁基体，对基体起到牺牲阳极的电化学保护作用，从而延缓或减轻了镀层钢板的腐蚀
镀锌钢板的耐蚀性还与镀锌层厚度密切相关，锌层越厚，耐蚀性越佳。在汽车制造业中，根据车型和部位的不同，采用的镀锌板锌层厚度有所差异，不过一般都采用大约80 g/m2 以上的厚镀层钢板。
2.1.2电镀锌合金板

目前，用于汽车业的镀锌合金板主要品种有Zn-Ni合金和Zn-Fe合金镀层钢板。 试验表明，含10%Ni以下Zn-Ni合金镀层比相同厚度的纯锌镀层的耐蚀性高3-5倍，而含10%-15%Ni的合金层（含13%Ni时耐蚀性最佳）对道路防冻盐的腐蚀具有特优的耐蚀性，其防穿透腐蚀性能比纯锌镀层高6-10倍。Zn-Ni合金镀层的高耐蚀性缘于合金镀层电极电位与铁的电位差缩小，腐蚀减缓，同时当Zn-Ni合金层为单．一稳定的γ相时，容易钝Zn-Ni合金层具有优良的力学性能，电镀Zn-Ni层后，不改变原基板的屈服强度、抗拉强度和伸长率，且塑性好；镀层还具有金属焊接性能优良、镀层内应力小等优点。 ) K; ]2 B# |8 i" I! Y

Zn-Fe合金镀层含7%-25%Fe的范围时，其耐蚀性最佳，常用于汽车钢板电泳层的底层，为提高与涂料的结合力常进行磷化处理

为提高耐蚀性和改善涂漆性能，在实际应用时，有时采用Zn-Ni, Zn-Fe双层电镀技术，即以Zn-Ni打底，表面镀Zn-Fe。
汽车零部件电镀除了装饰性和功能性电镀外，防护性电镀也是重要的一个方面。这类电镀要求镀层具有优良的耐蚀性能。依靠阻隔作用提高耐蚀的镀层称为阴极性镀层，如电镀铜、镍、铬、铅等。此类镀层的致密性最为重要；依靠牺牲阳极作用提高耐蚀性的镀层称为阳极性镀层，例如电镀锌、镉等。
铜、镍、铬镀层具有的电极电位比钢更正，它们没有电化学保护功能，其防护作用是依靠它们自身的耐蚀性，要求这类电镀层非常完整，不允许有空隙，特别是贯穿性空隙，否则钢铁基体反被加速
降低或避免镀层孔隙的有效途径是多层组合电镀。镀铜其光亮性高、平整性好、结晶细致，且与钢的结合力好，所以常常以镀铜作为底层，在其上面再镀镍层、铬层镀镍层在大气环境中，其表面形成一层钝化膜，它具有很好的化学稳定性，高温下在碱盐和有机酸中都是稳定的，所以具有较好的防护性能。汽车铝轮毅等常采用镀镍层

镀铬层在大气中极易生成极薄的透明钝化膜，具有优良的耐蚀性能。镀铬层具有高的硬度、极佳的耐擦伤能力，加上镀铬层装饰性极佳，所以镀铬层总是作为镀层的最外层。汽车许多装饰性零件均采用电镀铬层。
镀铅层对硫酸和硫酸盐显示出良好的耐蚀性，所以在汽车工业中，镀铅层常作为汽车蓄电池夹子零件的防护镀锌及其合金层相对于钢铁基体是阳极性镀层，在汽车制造业中应用很广，估计占汽车电镀面积的70%-80％，汽车中的中小冲压件、甚至个别大的冲压件、标准件都采用镀锌层，它是汽车制造业中重要的防护技术镀锌层的防护能力主要取决于镀层厚度，镀层厚度增加，孔隙率降低，防护能力增加。一般汽车内零件镀锌层厚为9-13μm，汽车标准件镀锌厚度为6-9μm

锌合金的电极电位比纯锌正，所以作为牺牲阳极时的耗损量比纯锌时大为降低，其阴极保护作用的寿命长。主要品种有Zn-Ni,Zn-Fe ;Zn-Co ,Zn-Sn、Zn-Ti、Zn-Mn，其中应用最广的有Zn-Ni,Zn-Fe合金镀层。汽车零部件电镀Zn-Fe合金，铁含量范围一般为6%-9%。
带钢连续热镀锌产品是由冶金厂的连续热镀机组采用气体还原法生产出来的。热镀锌板镀锌层和钢基体形成冶金结合，其附着力强、镀层厚（从每平方米数十克到数百克），所以耐蚀性极佳，最适用于户外较苛刻的大气环境。热镀锌板大气