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[摘 要]随着我国社会经济水平不断提高，在船舶设计方面的关注度也逐渐提高，对于船舶设计过程中出现的焊接变形情况也相当关注，并不断提高对船舶建造质量要求。基于此，本文先后介绍了焊接工艺特点，流程，材料，问题和解决措施等，来概述船舶设计的焊接变形。
[关键词]船舶设计；焊接变形；工艺流程；特点；材料；问题；措施
中图分类号：V563 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0038-01
1 船舶焊接工艺数据特点
对于焊接工艺而言，指的是焊接流程和焊接技术等要求，包括焊前预热、焊接方法、焊接材料、焊接设备、工艺参数以及焊后热处理等，焊接工艺制作之所以复杂，是因为环境和人为不确定等因素造成的，船舶焊接工艺有其特殊性，具体表现为以下几个方面：船舶材料种类繁多；船舶焊接结构件形状多；船舶焊接有其的特殊性，需要进行组装定位、焊前和焊后处理，这些都关系到船舶焊接产品的质量。
2 船舶焊接工艺设计流程
首先，船厂的生产设计部门根据船舶结构部件的焊缝信息，焊材，母材类型，厚度，坡口，焊角高，焊接形式，焊接姿态等，船厂的新进材料以及新的焊接工艺，进行工艺评定判断。如果不需进行评定，根据此焊缝的焊接工艺要求的焊接工艺评定报告，编制WPS焊接工艺指导书，从而可以编制船舶现场的焊接工艺流程，有助于船厂现场的焊接操作。如果需进行评定，船厂的生产设计部需提供焊接试验申请单给焊接工艺部。焊接工艺部收到焊接试验申请单后，编写相关的焊接试验计划书，安排试验样品，并将计划书和样品清单下发到船厂的焊接现场，现场的焊工根据焊接计划书和样品清单进行现场焊接试验，试验后的数据要反馈给焊接工艺部。数据合格，则可得到焊接工艺部的焊接工艺评定报告，现场生产车间就可以按照焊接工艺指导书中的焊接流程进行现场的焊接操作。如果试验不合格，则需要重新编写计划书重新进行焊接试验，直到焊接试验数据合格。
3 船用焊接材料
船舶建造的过程中主要运用低碳钢，高强度钢，有时也会涉及到铝合金、铜合金、钛合金、不锈钢和低合金钢。目前我国的船用焊接材料主要使用国产品牌焊材，例如：双丝MAG焊的焊丝，埋弧焊焊丝和焊剂，气电垂直自动焊的药芯焊丝等等。只有较高的韧性和合适屈强比的船舶焊接材料才能保证船舶的安全性。
3.1 焊条
船舶建造过程中采用的焊条主要有普通手工焊条、高效铁粉焊条以及重力焊条，一般强度和高强度船体结构采用的是普通手工焊条，基本上属于低氢碱性焊条，例如：E4315、E5015。船舶建造过程中部件较短的角焊缝焊接时大多采用的是高效铁粉焊条，为了提高船舶焊接的效率可以通过添加铁粉在焊条药皮中，从而达到提高焊接的熔敷效率的目的。在平角和角焊缝较短且集中船舶焊接位置使用重力焊条。
3.2 焊丝
焊丝主要分为实芯焊丝和药芯焊丝，CO2气体保护焊用的药芯焊丝占到我国大型船厂焊丝的五分之四，按照生产用途，可以将CO2气体保护焊用的药芯焊丝分为以下几类：普通药芯焊丝（大多为碳钢有缝钛型焊丝）、垂直气电焊焊丝、金属粉芯药芯焊丝还有一些焊丝专门针对某些特殊焊接方式。
3.3 埋弧焊材
制作埋弧焊材的焊丝的工艺是比较简单的，焊剂对埋弧焊的质量和其焊接性能影响程度较大。船厂使用的主要焊接方法中就包含埋弧焊，在平直对接和较长的焊缝焊接中常用，目前我国船用埋弧焊的焊剂主要为熔炼和烧结型这两种，因为烧结型焊剂具有以下特点：无烟、无毒、无味、比重轻，与熔炼型焊剂比较其大大节约成本，所以目前烧结型逐渐代替熔炼型焊剂。
4 船舶在设计过程中焊接变形的原因
4.1 由外力引起的焊接变形
外力引起的焊接变形是指在船舶组装、焊接过程中由于过载、撞、碰、摔、磕等引起的异常变形。外力引起的变形是常常发生的焊接变形，而且这种变形可以进行控制，即在焊接过程中应小心保护便可避免。
4.2 残余应力变形
焊接应力是焊接构件在焊接过程中产生的应力，主要是焊接过程中相关部位或构件产生的内应力与焊接加热过程引起相关部位或构件形状、尺寸的变化。产生焊接应力和变形的根本原因是焊接过程中温度场不均匀及由其引起的局部塑性变形。当焊接温度场消失后其变形与应力便称为残余焊接应力和变形。在船舶建造过程中，主要是由于残余焊接应力影响相关构件导致出现板材变形，例如，钢板校平碾压次数不足而致使焊接后产生残余应力而引起的变形。
4.3 焊接热力变形
焊接热力变形是船舶在建造过程焊接变形中较难以控制的变形。焊接热力变形是由于船舶建造时所用的金属材料在焊接过程中因冷热不均而形成的。金属材料焊接时采用移动的高温电弧作为加热热源，而金属温度最高的部位是热影响区与焊缝，这些部分金属受热膨胀，但其它部分金属仅受常温影响，因此两种热度不均的情况下形成了压缩塑性变形，同时焊接构件变形的程度与焊接时焊接热输入量成正比关系，因此，焊接时热输入量越大金属材料变形越明显。
5 控制船舶在设计过程中焊接变形的对策
5.1 合理的船体结构设计和建造工艺
船体结构设计不仅要满足船舶使用性能与强度，还应满足船舶建造过程中使用的焊接材料最少、劳动工时最低、焊接变形最小等要求。同时还应根据焊接特点设计船舶以减少焊接变形。具体要求如下：
确保结构强度的基础上，将焊缝截面积尺寸缩小，以达到减少收缩变形的目的；装配过程中应使用简单方便的装配焊接台架；船体分段划分过程中要充分考虑散装件的数量和大小，尽可能減少船台焊接工作量，以便控制好船体局部焊接变形；尽量将焊缝数量减到最少，焊缝应靠近结构中心线，或者应以对称性为主，这样可以有效地避免出现弯曲变形。
5.2 保证焊接参数准确
保证焊接参数的准确性可以确保焊接质量，焊接参数一般包括焊接电流量、焊接速度、焊接电压量等数值，因此应控制好相关焊接参数。如在焊接电流量参数控制方面，根据焊接WPS要求设置好电流量参数，要充分考虑焊接部件厚度、焊接接头、焊接层次、焊条大小、焊接位置等等因素，同时又应着重对焊接位置、焊条大小及焊接层次的参数控制，因为这三种参数对焊接变形具有直接影响作用，因此，只有将焊接参数控制在一定的规格范围内，才能有效地降低焊接变形的范围。另外焊接施工人员对焊接速度的控制也很重要，既不能过慢也不能过快，若焊接速度过慢则将会扩大焊接受热区域，而致使此区域内的变形量增大；若焊接速度过快，则会导致焊接缝焊接与熔合不完全或焊接缝成型差等现象问题，影响船舶质量。
5.3 散热法与回火法
可以通过在焊接部位周围放置散热物体进而迅速冷却焊接部件以达到减小热影响区域的效果，热影响区减小同时也缩小船体变形的范围，这便是散热法，亦称为强迫冷却法，使用该方法时应注意避免淬火倾向大的情况，以防止因冷淬而出现裂纹。回火法是指将焊接好的部件整体放置炉内以小于或等于20至60℃的升温速度进行加热，随后进行一定时间的保温，出炉时空制其温度，使温度同时降至50至60℃，这种方法有效地防止焊接变形或开裂。
6 结语
综上所述，为了降低船舶建造过程中焊接变形，应在设计初期充分考虑焊接变形产生的因素，优化结构设计和建造工艺；船舶建造过程中使用正确的焊接工艺，以及焊接后使用适当的散热工艺措施，减少船舶建造过程中产生焊接变形，从而提高船舶的质量与美观。
参考文献
[1] 冯志强.船舶焊接智能系统知识建模与推理方法研究[D].上海交通大学，2012.
[2] 张群.大型船体结构焊接变形的数值仿真[D].江苏科技大学，2012.
[关键词]船舶设计；焊接变形；工艺流程；特点；材料；问题；措施
中图分类号：V563 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0038-01
1 船舶焊接工艺数据特点
对于焊接工艺而言，指的是焊接流程和焊接技术等要求，包括焊前预热、焊接方法、焊接材料、焊接设备、工艺参数以及焊后热处理等，焊接工艺制作之所以复杂，是因为环境和人为不确定等因素造成的，船舶焊接工艺有其特殊性，具体表现为以下几个方面：船舶材料种类繁多；船舶焊接结构件形状多；船舶焊接有其的特殊性，需要进行组装定位、焊前和焊后处理，这些都关系到船舶焊接产品的质量。
2 船舶焊接工艺设计流程
首先，船厂的生产设计部门根据船舶结构部件的焊缝信息，焊材，母材类型，厚度，坡口，焊角高，焊接形式，焊接姿态等，船厂的新进材料以及新的焊接工艺，进行工艺评定判断。如果不需进行评定，根据此焊缝的焊接工艺要求的焊接工艺评定报告，编制WPS焊接工艺指导书，从而可以编制船舶现场的焊接工艺流程，有助于船厂现场的焊接操作。如果需进行评定，船厂的生产设计部需提供焊接试验申请单给焊接工艺部。焊接工艺部收到焊接试验申请单后，编写相关的焊接试验计划书，安排试验样品，并将计划书和样品清单下发到船厂的焊接现场，现场的焊工根据焊接计划书和样品清单进行现场焊接试验，试验后的数据要反馈给焊接工艺部。数据合格，则可得到焊接工艺部的焊接工艺评定报告，现场生产车间就可以按照焊接工艺指导书中的焊接流程进行现场的焊接操作。如果试验不合格，则需要重新编写计划书重新进行焊接试验，直到焊接试验数据合格。
3 船用焊接材料
船舶建造的过程中主要运用低碳钢，高强度钢，有时也会涉及到铝合金、铜合金、钛合金、不锈钢和低合金钢。目前我国的船用焊接材料主要使用国产品牌焊材，例如：双丝MAG焊的焊丝，埋弧焊焊丝和焊剂，气电垂直自动焊的药芯焊丝等等。只有较高的韧性和合适屈强比的船舶焊接材料才能保证船舶的安全性。
3.1 焊条
船舶建造过程中采用的焊条主要有普通手工焊条、高效铁粉焊条以及重力焊条，一般强度和高强度船体结构采用的是普通手工焊条，基本上属于低氢碱性焊条，例如：E4315、E5015。船舶建造过程中部件较短的角焊缝焊接时大多采用的是高效铁粉焊条，为了提高船舶焊接的效率可以通过添加铁粉在焊条药皮中，从而达到提高焊接的熔敷效率的目的。在平角和角焊缝较短且集中船舶焊接位置使用重力焊条。
3.2 焊丝
焊丝主要分为实芯焊丝和药芯焊丝，CO2气体保护焊用的药芯焊丝占到我国大型船厂焊丝的五分之四，按照生产用途，可以将CO2气体保护焊用的药芯焊丝分为以下几类：普通药芯焊丝（大多为碳钢有缝钛型焊丝）、垂直气电焊焊丝、金属粉芯药芯焊丝还有一些焊丝专门针对某些特殊焊接方式。
3.3 埋弧焊材
制作埋弧焊材的焊丝的工艺是比较简单的，焊剂对埋弧焊的质量和其焊接性能影响程度较大。船厂使用的主要焊接方法中就包含埋弧焊，在平直对接和较长的焊缝焊接中常用，目前我国船用埋弧焊的焊剂主要为熔炼和烧结型这两种，因为烧结型焊剂具有以下特点：无烟、无毒、无味、比重轻，与熔炼型焊剂比较其大大节约成本，所以目前烧结型逐渐代替熔炼型焊剂。
4 船舶在设计过程中焊接变形的原因
4.1 由外力引起的焊接变形
外力引起的焊接变形是指在船舶组装、焊接过程中由于过载、撞、碰、摔、磕等引起的异常变形。外力引起的变形是常常发生的焊接变形，而且这种变形可以进行控制，即在焊接过程中应小心保护便可避免。
4.2 残余应力变形
焊接应力是焊接构件在焊接过程中产生的应力，主要是焊接过程中相关部位或构件产生的内应力与焊接加热过程引起相关部位或构件形状、尺寸的变化。产生焊接应力和变形的根本原因是焊接过程中温度场不均匀及由其引起的局部塑性变形。当焊接温度场消失后其变形与应力便称为残余焊接应力和变形。在船舶建造过程中，主要是由于残余焊接应力影响相关构件导致出现板材变形，例如，钢板校平碾压次数不足而致使焊接后产生残余应力而引起的变形。
4.3 焊接热力变形
焊接热力变形是船舶在建造过程焊接变形中较难以控制的变形。焊接热力变形是由于船舶建造时所用的金属材料在焊接过程中因冷热不均而形成的。金属材料焊接时采用移动的高温电弧作为加热热源，而金属温度最高的部位是热影响区与焊缝，这些部分金属受热膨胀，但其它部分金属仅受常温影响，因此两种热度不均的情况下形成了压缩塑性变形，同时焊接构件变形的程度与焊接时焊接热输入量成正比关系，因此，焊接时热输入量越大金属材料变形越明显。
5 控制船舶在设计过程中焊接变形的对策
5.1 合理的船体结构设计和建造工艺
船体结构设计不仅要满足船舶使用性能与强度，还应满足船舶建造过程中使用的焊接材料最少、劳动工时最低、焊接变形最小等要求。同时还应根据焊接特点设计船舶以减少焊接变形。具体要求如下：
确保结构强度的基础上，将焊缝截面积尺寸缩小，以达到减少收缩变形的目的；装配过程中应使用简单方便的装配焊接台架；船体分段划分过程中要充分考虑散装件的数量和大小，尽可能減少船台焊接工作量，以便控制好船体局部焊接变形；尽量将焊缝数量减到最少，焊缝应靠近结构中心线，或者应以对称性为主，这样可以有效地避免出现弯曲变形。
5.2 保证焊接参数准确
保证焊接参数的准确性可以确保焊接质量，焊接参数一般包括焊接电流量、焊接速度、焊接电压量等数值，因此应控制好相关焊接参数。如在焊接电流量参数控制方面，根据焊接WPS要求设置好电流量参数，要充分考虑焊接部件厚度、焊接接头、焊接层次、焊条大小、焊接位置等等因素，同时又应着重对焊接位置、焊条大小及焊接层次的参数控制，因为这三种参数对焊接变形具有直接影响作用，因此，只有将焊接参数控制在一定的规格范围内，才能有效地降低焊接变形的范围。另外焊接施工人员对焊接速度的控制也很重要，既不能过慢也不能过快，若焊接速度过慢则将会扩大焊接受热区域，而致使此区域内的变形量增大；若焊接速度过快，则会导致焊接缝焊接与熔合不完全或焊接缝成型差等现象问题，影响船舶质量。
5.3 散热法与回火法
可以通过在焊接部位周围放置散热物体进而迅速冷却焊接部件以达到减小热影响区域的效果，热影响区减小同时也缩小船体变形的范围，这便是散热法，亦称为强迫冷却法，使用该方法时应注意避免淬火倾向大的情况，以防止因冷淬而出现裂纹。回火法是指将焊接好的部件整体放置炉内以小于或等于20至60℃的升温速度进行加热，随后进行一定时间的保温，出炉时空制其温度，使温度同时降至50至60℃，这种方法有效地防止焊接变形或开裂。
6 结语
综上所述，为了降低船舶建造过程中焊接变形，应在设计初期充分考虑焊接变形产生的因素，优化结构设计和建造工艺；船舶建造过程中使用正确的焊接工艺，以及焊接后使用适当的散热工艺措施，减少船舶建造过程中产生焊接变形，从而提高船舶的质量与美观。
参考文献
[1] 冯志强.船舶焊接智能系统知识建模与推理方法研究[D].上海交通大学，2012.
[2] 张群.大型船体结构焊接变形的数值仿真[D].江苏科技大学，2012.