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摘要：造船是一个涉及到成千上万个的零件以及部件的装配及焊接的复杂过程，由零件装配成部件，再由部件装配成分段，再装配成总段在船台或船坞合拢。这个过程中分段的合拢效率起着很重要的作用，其中影响分段合拢的效率是多方面的，本文通过论述合理的控制精度、余量以及焊接变型量的控制可以很好的提高分段的合拢效率，缩短造船周期，提高船台的利用率。造船过程中最重要的就是数据了，如果数据错误那么造出来的分段肯定是不吻合图纸上的尺寸的，当合拢的时候就会错位；通过控制余量的产生，可以很大程度上减少钢材的浪费，以最少的成本来创造出最大的价值；焊接变形贯穿整个造船过程，焊接变形的控制可以直接影响造船的质量。通过以上项目的论述，使在造船的整个流程中可以节约成本，提高质量，产生更高的效益。
关键词：分段合拢效率；精度控制；焊接变形控制；无余量造
1 引言
船舶在建造阶段，一个很重要的阶段就是分段的建造和合拢，其中分段建造和合拢的效率直接影响着整个造船的周期，其中影响的主要内容有：优化板缝的布置、无余量下料、合理的焊接工艺、分段焊接的变形控制等。在船舶建造早期阶段，为确保船舶整体尺寸，船舶分段建造时一般采用首尾留余量方式建造，在合拢阶段根据变形情况，把合拢口部位多余的部分进行割除。诸如纠正前道工序产生的误差的调整、划线、安装背衬条以及用于顶撑的额外的安装件，作业后的清理，焊接装配时留下的焊缝、修整打磨不端正的坡口，熔敷过宽的接头间隙等，称为船体建造过程中的调整工作。一般来说，采用留余量建造法，调整工作占据船体建造工时的很大比例。特别是在船台合拢阶段，仅调整工作即占总的船体工量的40%～50%。不仅如此，留余量建造法浪费材料，对分段质量影响很大，增加了施工人员的工作强度。并且由于火焰加工，再生了结构的变形。因此，留余量建造法在保证船体整体尺寸的同时，在建造技术精益求精的今天，成为提高船台乃至船舶建造效率的瓶颈。
2 提高船舶分段合拢效率的理论基础
在满足准确下料的前提下，焊接变形的控制是提高分段合拢效率的主要内容。对于焊接变形的估计过去大多基于经验或简化计算方法，但焊接过程是个强热力耦合过程，变形数据的获得，通过实践的经验数据或简化计算还不足以达到精益造船的要求。另外经验数据或简化计算也只能用于最简单的板或梁等焊接构件，对稍复杂的结构就无能为力。最近发展起来的热弹塑性有限元方法从原理上可以解决复杂焊接结构的变形问题，且可较准确地预测焊接变形。其理论基础为热弹塑性力学，分析预测焊接变形时，对整个焊接过程，模拟中采取给定时间步长的办法，计算每一时刻的焊接温度场，以及在每个时问段内，温度增量引起的应力应变增量，逐步迭加，最终得到残余应力与变形。
3 提高分段合拢效率的主要工艺技术措施
3.1 优化板缝的布置
尽量把焊缝布置成与中心轴相对称；在满足规范要求的前提下，把板缝设置在结构件附近，借助结构件的刚性来减少焊接变形；多板组成的壁板和平台尽量使用厚板，减少焊缝数量；在焊缝相交中尽量布置成“十”字接头，避免“T”形接头的出现。
3.2 合理规划余量分布，提高无余量下料装配率
为了保证结构装配的尺寸，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不利的影响。经分析确定，改变传统的施工方法，采取在分段接头处单边留余量，其他位置一律改为不留余量，使大部分板材剪切一次成功。减少了加热次数和加热量，有效控制装配过程变形。
3.3 合理焊接工艺
合理的焊接顺序是提高分段尺寸精度的前提。以船底分段为例，注意旁纵桁位置的平面度，先进行分段纵桁间的焊接，焊接顺序为先中间再两舷，先中间再两端。每道焊缝按对称及退步焊顺序进行，焊接后进行98CSQS(中国造船质量标准 CSQS_1998年版)公差标准的测量和必要的矫正。然后进行外板的装配、外板与结构之问的焊接、内底板和内底纵骨的封盖装配和焊接。分段之间的大接头合拢缝预先定位，但不焊，在分段验收后进行大合拢装配时，再进行大合拢焊接。焊接顺序为先外板、内底板环缝再结构对接焊缝，最后进行大合拢位置的纵向结构与外板和内底板的角接缝焊接。焊接时注意对称进行。下面以某条船的船底板焊接顺序为例：如图 2(船底板焊接顺序)所示。
4 分段合拢的精度控制
4.1 在船体建造精度控制中的对合基准线控制技术
对合线(参考线)控制是精度控制的关键内容之一，目前国内外都比较重视。从日、韩等先进造船国家看，在各个装配阶段，如零部件、分段、总段及型位尺寸所依据的点、线、面，都用对合线基准方法来控制装配精度。因此，对合基准线的应用是精度控制的基本技术之一。目前对合基准线由设计在TRIBON建模后通过切割版图转换成数控切割机指令而实现。对合基准线已在装配各阶段建立，如在小组立、中组立阶段设定拼缝对合线、肋板开口框架拼接的对合线、线型肋骨拼接的校直线、加工角度的切点线或圆势的企口线、装配定位线等；大组立阶段按安装参考线，线形分段按型值尺寸等方法来控制。如分段以中心线或直剖线与肋骨检验线为依据判定正方度，与高度方向的水线为依据判定扭曲度，从而避免累积误差的形成，为大合拢创造条件，而大合拢则按船坞基准线和大接头两侧100mm对合线来定位。
4.2 分段合拢口的对合线的精度控制
在分段总组吊装时由一个分段吊装到另一分段时最重要的就是要两个分段合拢口尺寸吻合，但是吻合的前提就是在制造部制造分段的过程中对于一个分段和另一个分段的合拢口的尺寸的定位了， 现在以浙江造船厂的GPA 254L海洋工程船的上层建筑结构601分段为例，如图 3（GPA 254L 601）：
图中：FR14肋位前为上层建筑的前围壁，此处线型变化较大且有一定的倾斜度，当与之合拢的上层建筑的602分段合拢时，合拢口的尺寸要求就要很精确，并且图中用标注的尺寸都是要做精度控制的，误差只能在5mm以内。特别是图中画的对角线以及前围壁和舷侧外板处的连接点，它们是整个分段精度控制的主要数据，是分段合拢口的关键点。如果数据偏差较大，那么另一个分段将无法与之合拢，所以对以精度控制的要求很高。
5 分段合拢的焊接变形的控制
5.1 焊接变形的影响
焊接变形出现在整个造船过程中，焊接变形量的大小、成形的效果会直接影响整个造船的质量。焊接过程中大接头是个重要的节点，大接头处焊接缝加马板为了控制大接头处焊缝局部变形，在横跨焊缝处加马板。马板长度要能横跨相邻两根肋骨，板厚应不小于外板厚度的1.5倍。
焊接补偿量的加放也会在一定程度上影响焊缝的变形，加放焊缝横向收缩补偿量为补偿环缝的横向收缩，每个合拢环缝加放3 mm收缩量，可控制船体总长L在精度标准范围内(± 1/1000 L)。
以浙江造船厂GPA 696IMR 多用途海洋工程船为例：
①下料时纵向按0.083%加放焊接收缩补偿量(每道肋位加放0.5mm)
②横向按0.083%加放焊接收缩补偿量(每道纵骨加放0.5mm)
采用反变形措施为防止船体首尾上翘，采取反变形措施，通常总段向首合拢时，后续总段首基线与设定基线下沉 2/1000 m，船首上翘可控制在标准要求范围内(±25 mm)。总段向尾合拢时，后续总段尾基线与设定基线下沉1/100000 m，船尾上翘可控制在标准要求范围内(±20 mm)。
5.2 制订焊接程序时应考虑的因素
合拢区的约束。合拢过程中沿船长方向的约束大于船深、船宽方向的约束。约束程度愈高，残余应力愈大。随着焊接过程的进行，越是后面焊接的焊缝，收缩受到的约束程度愈高，残余应力愈大。
焊缝的纵向收缩和横向收缩。焊缝的横向收缩大于纵向收缩，横向收缩值约等于纵向收缩值的3倍。
残余应力。在设计船体总段大合拢环形焊缝时，应尽量减小纵向残余拉应力，使船在受总纵弯曲时产生的纵向应力叠加时的应力值减小。
5.3 总段大合拢环形焊缝的焊接程序
首先焊接大合拢区域外板横向环形焊缝。先焊船体内部焊缝，焊接完成后在船壳外气刨清根刨槽，进行封底焊。焊接程序见图 5(总段环形焊缝焊接顺序)。
单层底分段b)双层底分段(图中圆圈中数字表示焊序代号)图-5总段环形接缝焊接程序。
合拢区域外板纵向和横向交叉焊缝。总段在合拢前，纵向焊缝在离开环缝约300 mm处中断。合拢后的焊接程序见图 6。图 6的两种焊接程序可任选其一，我推荐先焊环形横缝，再将交叉处的横缝焊肉铲除，然后焊纵向焊缝，焊缝不能在横缝处中断，见图 6 a)。
焊接纵向构件对接缝(包括纵向构件面板和面板、腹板和腹板的对接缝，要求焊透)。最后焊接纵向构件的腹板与船壳板的角焊缝。
结 论
分段合拢是船舶建造过程中一个重要的环节，合拢过程中的精度控制的精确度、焊接变形量的控制，直接会影响到两个分段合拢的进度，合拢的质量。所以，在分段合拢前，我们要做好一切的准备：在制造中控制好精度，在焊接过程中要考虑到焊缝的质量，焊接后所产生的一系列的变形。除了这些在施工过程中的要求以外，随着无余量造船技术的发展，在设计中我们也要考虑到应用无余量造船的技术，这样就可以减少在合拢过程中的工作量，也可以提高合拢后的分段的质量。
船台合拢及分段合拢阶段涉及工作内容众多，更考验公司管理及现在管理者的水平。在生产中壳、舾、涂一体化，从全局、全船的角度统筹，协调各部门系统的因素，使全船建造整体优化，把壳、舾、涂不同性质的三大类作业类型，建立在空间上分道，时间上有序的立体优化排序。提前策划可以提前做好资源的生产准备，提高工作效率，缩短建造周期。区域划分，作业分解，逐步完成了从模拟造船到总装化造船的过渡。这样分段数量和质量都有了保障。在管理上，为提高船舶下水完整性，分段总组的机、管、电等的预舾装及涂装处理等工作可同时进行，使分段在制作的同时完成基本的预舾装；合理安排船体、机、电作业顺序，机舱和上层建筑的机、管、电安装工作。改部分船台作业为平地作业——先在平地总组，后在船台合拢；改集中作业为分散作业——船台作业总组做、总组作业分段做、分段作业提前做。总之，合理有序的管理可以有效地缩短船台周期，大大提高分段合拢效率。
参考文献
[1]. 王鸿斌，《船舶修造工艺》人民交通出版社
[2]. 王鸿斌，《船舶焊接工艺》人民交通出版社
[3]. 陈章兰，熊云峰，蔡振雄.EH36钢焊接角变形有限元模拟
[4]. 汪建华，陆皓，魏良武.固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用.焊接学报，2002
[5]. 王 云，船体装配工艺.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1994
[6]. 陈冰泉，船舶及海洋工程结构焊接.北京：人民交通出版社，2001
[7]. 王承权，夏炳仁，杜述勇.船体大合扰环形缝最佳焊接程序的研究.船舶工程，2001
关键词：分段合拢效率；精度控制；焊接变形控制；无余量造
1 引言
船舶在建造阶段，一个很重要的阶段就是分段的建造和合拢，其中分段建造和合拢的效率直接影响着整个造船的周期，其中影响的主要内容有：优化板缝的布置、无余量下料、合理的焊接工艺、分段焊接的变形控制等。在船舶建造早期阶段，为确保船舶整体尺寸，船舶分段建造时一般采用首尾留余量方式建造，在合拢阶段根据变形情况，把合拢口部位多余的部分进行割除。诸如纠正前道工序产生的误差的调整、划线、安装背衬条以及用于顶撑的额外的安装件，作业后的清理，焊接装配时留下的焊缝、修整打磨不端正的坡口，熔敷过宽的接头间隙等，称为船体建造过程中的调整工作。一般来说，采用留余量建造法，调整工作占据船体建造工时的很大比例。特别是在船台合拢阶段，仅调整工作即占总的船体工量的40%～50%。不仅如此，留余量建造法浪费材料，对分段质量影响很大，增加了施工人员的工作强度。并且由于火焰加工，再生了结构的变形。因此，留余量建造法在保证船体整体尺寸的同时，在建造技术精益求精的今天，成为提高船台乃至船舶建造效率的瓶颈。
2 提高船舶分段合拢效率的理论基础
在满足准确下料的前提下，焊接变形的控制是提高分段合拢效率的主要内容。对于焊接变形的估计过去大多基于经验或简化计算方法，但焊接过程是个强热力耦合过程，变形数据的获得，通过实践的经验数据或简化计算还不足以达到精益造船的要求。另外经验数据或简化计算也只能用于最简单的板或梁等焊接构件，对稍复杂的结构就无能为力。最近发展起来的热弹塑性有限元方法从原理上可以解决复杂焊接结构的变形问题，且可较准确地预测焊接变形。其理论基础为热弹塑性力学，分析预测焊接变形时，对整个焊接过程，模拟中采取给定时间步长的办法，计算每一时刻的焊接温度场，以及在每个时问段内，温度增量引起的应力应变增量，逐步迭加，最终得到残余应力与变形。
3 提高分段合拢效率的主要工艺技术措施
3.1 优化板缝的布置
尽量把焊缝布置成与中心轴相对称；在满足规范要求的前提下，把板缝设置在结构件附近，借助结构件的刚性来减少焊接变形；多板组成的壁板和平台尽量使用厚板，减少焊缝数量；在焊缝相交中尽量布置成“十”字接头，避免“T”形接头的出现。
3.2 合理规划余量分布，提高无余量下料装配率
为了保证结构装配的尺寸，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不利的影响。经分析确定，改变传统的施工方法，采取在分段接头处单边留余量，其他位置一律改为不留余量，使大部分板材剪切一次成功。减少了加热次数和加热量，有效控制装配过程变形。
3.3 合理焊接工艺
合理的焊接顺序是提高分段尺寸精度的前提。以船底分段为例，注意旁纵桁位置的平面度，先进行分段纵桁间的焊接，焊接顺序为先中间再两舷，先中间再两端。每道焊缝按对称及退步焊顺序进行，焊接后进行98CSQS(中国造船质量标准 CSQS_1998年版)公差标准的测量和必要的矫正。然后进行外板的装配、外板与结构之问的焊接、内底板和内底纵骨的封盖装配和焊接。分段之间的大接头合拢缝预先定位，但不焊，在分段验收后进行大合拢装配时，再进行大合拢焊接。焊接顺序为先外板、内底板环缝再结构对接焊缝，最后进行大合拢位置的纵向结构与外板和内底板的角接缝焊接。焊接时注意对称进行。下面以某条船的船底板焊接顺序为例：如图 2(船底板焊接顺序)所示。
4 分段合拢的精度控制
4.1 在船体建造精度控制中的对合基准线控制技术
对合线(参考线)控制是精度控制的关键内容之一，目前国内外都比较重视。从日、韩等先进造船国家看，在各个装配阶段，如零部件、分段、总段及型位尺寸所依据的点、线、面，都用对合线基准方法来控制装配精度。因此，对合基准线的应用是精度控制的基本技术之一。目前对合基准线由设计在TRIBON建模后通过切割版图转换成数控切割机指令而实现。对合基准线已在装配各阶段建立，如在小组立、中组立阶段设定拼缝对合线、肋板开口框架拼接的对合线、线型肋骨拼接的校直线、加工角度的切点线或圆势的企口线、装配定位线等；大组立阶段按安装参考线，线形分段按型值尺寸等方法来控制。如分段以中心线或直剖线与肋骨检验线为依据判定正方度，与高度方向的水线为依据判定扭曲度，从而避免累积误差的形成，为大合拢创造条件，而大合拢则按船坞基准线和大接头两侧100mm对合线来定位。
4.2 分段合拢口的对合线的精度控制
在分段总组吊装时由一个分段吊装到另一分段时最重要的就是要两个分段合拢口尺寸吻合，但是吻合的前提就是在制造部制造分段的过程中对于一个分段和另一个分段的合拢口的尺寸的定位了， 现在以浙江造船厂的GPA 254L海洋工程船的上层建筑结构601分段为例，如图 3（GPA 254L 601）：
图中：FR14肋位前为上层建筑的前围壁，此处线型变化较大且有一定的倾斜度，当与之合拢的上层建筑的602分段合拢时，合拢口的尺寸要求就要很精确，并且图中用标注的尺寸都是要做精度控制的，误差只能在5mm以内。特别是图中画的对角线以及前围壁和舷侧外板处的连接点，它们是整个分段精度控制的主要数据，是分段合拢口的关键点。如果数据偏差较大，那么另一个分段将无法与之合拢，所以对以精度控制的要求很高。
5 分段合拢的焊接变形的控制
5.1 焊接变形的影响
焊接变形出现在整个造船过程中，焊接变形量的大小、成形的效果会直接影响整个造船的质量。焊接过程中大接头是个重要的节点，大接头处焊接缝加马板为了控制大接头处焊缝局部变形，在横跨焊缝处加马板。马板长度要能横跨相邻两根肋骨，板厚应不小于外板厚度的1.5倍。
焊接补偿量的加放也会在一定程度上影响焊缝的变形，加放焊缝横向收缩补偿量为补偿环缝的横向收缩，每个合拢环缝加放3 mm收缩量，可控制船体总长L在精度标准范围内(± 1/1000 L)。
以浙江造船厂GPA 696IMR 多用途海洋工程船为例：
①下料时纵向按0.083%加放焊接收缩补偿量(每道肋位加放0.5mm)
②横向按0.083%加放焊接收缩补偿量(每道纵骨加放0.5mm)
采用反变形措施为防止船体首尾上翘，采取反变形措施，通常总段向首合拢时，后续总段首基线与设定基线下沉 2/1000 m，船首上翘可控制在标准要求范围内(±25 mm)。总段向尾合拢时，后续总段尾基线与设定基线下沉1/100000 m，船尾上翘可控制在标准要求范围内(±20 mm)。
5.2 制订焊接程序时应考虑的因素
合拢区的约束。合拢过程中沿船长方向的约束大于船深、船宽方向的约束。约束程度愈高，残余应力愈大。随着焊接过程的进行，越是后面焊接的焊缝，收缩受到的约束程度愈高，残余应力愈大。
焊缝的纵向收缩和横向收缩。焊缝的横向收缩大于纵向收缩，横向收缩值约等于纵向收缩值的3倍。
残余应力。在设计船体总段大合拢环形焊缝时，应尽量减小纵向残余拉应力，使船在受总纵弯曲时产生的纵向应力叠加时的应力值减小。
5.3 总段大合拢环形焊缝的焊接程序
首先焊接大合拢区域外板横向环形焊缝。先焊船体内部焊缝，焊接完成后在船壳外气刨清根刨槽，进行封底焊。焊接程序见图 5(总段环形焊缝焊接顺序)。
单层底分段b)双层底分段(图中圆圈中数字表示焊序代号)图-5总段环形接缝焊接程序。
合拢区域外板纵向和横向交叉焊缝。总段在合拢前，纵向焊缝在离开环缝约300 mm处中断。合拢后的焊接程序见图 6。图 6的两种焊接程序可任选其一，我推荐先焊环形横缝，再将交叉处的横缝焊肉铲除，然后焊纵向焊缝，焊缝不能在横缝处中断，见图 6 a)。
焊接纵向构件对接缝(包括纵向构件面板和面板、腹板和腹板的对接缝，要求焊透)。最后焊接纵向构件的腹板与船壳板的角焊缝。
结 论
分段合拢是船舶建造过程中一个重要的环节，合拢过程中的精度控制的精确度、焊接变形量的控制，直接会影响到两个分段合拢的进度，合拢的质量。所以，在分段合拢前，我们要做好一切的准备：在制造中控制好精度，在焊接过程中要考虑到焊缝的质量，焊接后所产生的一系列的变形。除了这些在施工过程中的要求以外，随着无余量造船技术的发展，在设计中我们也要考虑到应用无余量造船的技术，这样就可以减少在合拢过程中的工作量，也可以提高合拢后的分段的质量。
船台合拢及分段合拢阶段涉及工作内容众多，更考验公司管理及现在管理者的水平。在生产中壳、舾、涂一体化，从全局、全船的角度统筹，协调各部门系统的因素，使全船建造整体优化，把壳、舾、涂不同性质的三大类作业类型，建立在空间上分道，时间上有序的立体优化排序。提前策划可以提前做好资源的生产准备，提高工作效率，缩短建造周期。区域划分，作业分解，逐步完成了从模拟造船到总装化造船的过渡。这样分段数量和质量都有了保障。在管理上，为提高船舶下水完整性，分段总组的机、管、电等的预舾装及涂装处理等工作可同时进行，使分段在制作的同时完成基本的预舾装；合理安排船体、机、电作业顺序，机舱和上层建筑的机、管、电安装工作。改部分船台作业为平地作业——先在平地总组，后在船台合拢；改集中作业为分散作业——船台作业总组做、总组作业分段做、分段作业提前做。总之，合理有序的管理可以有效地缩短船台周期，大大提高分段合拢效率。
参考文献
[1]. 王鸿斌，《船舶修造工艺》人民交通出版社
[2]. 王鸿斌，《船舶焊接工艺》人民交通出版社
[3]. 陈章兰，熊云峰，蔡振雄.EH36钢焊接角变形有限元模拟
[4]. 汪建华，陆皓，魏良武.固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用.焊接学报，2002
[5]. 王 云，船体装配工艺.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1994
[6]. 陈冰泉，船舶及海洋工程结构焊接.北京：人民交通出版社，2001
[7]. 王承权，夏炳仁，杜述勇.船体大合扰环形缝最佳焊接程序的研究.船舶工程，2001