在船舶建造过程中,船体变形主要是由焊接、装配过程中的应力、重力以及外部环境等因素引起的。
焊接应力:焊接是船舶建造中最主要的连接工艺,焊接过程中,焊缝及其附近区域会产生不均匀的热应力。当这些应力超过材料的屈服极限时,就会导致船体板材和构件发生变形。例如,在焊接船板时,焊缝处温度迅速升高,随后又快速冷却,这种热循环过程使得焊缝金属收缩,从而产生拉应力,周围的金属则受到压应力,导致板材产生弯曲、扭曲等变形。
装配应力:在船体装配过程中,如果构件的安装位置不准确、强制装配或者装配顺序不合理,都会产生装配应力。比如,将尺寸稍有偏差的构件强行安装在一起,就会在构件内部产生额外的应力,进而引起变形。
重力影响:大型船体结构在建造过程中,自身重力的分布也会导致变形。例如,在分段建造过程中,当一个分段的一侧安装了较重的设备或构件,而另一侧没有相应的配重时,就会因为重力不均衡而产生弯曲变形。
外部环境因素:环境温度和湿度的变化也会对船体材料产生影响。例如,在高温环境下进行装配和焊接,材料的热膨胀可能会导致装配精度下降;而在湿度较大的环境中,某些材料可能会吸收水分而产生膨胀变形。
合理的焊接顺序
制定焊接顺序时,应遵循分散应力、对称焊接的原则。例如,对于船体板材的拼接焊缝,应采用从中间向两端或者从两端向中间逐步焊接的方式,避免焊缝集中产生过大的应力。对于有多个构件的焊接结构,要先焊接对结构变形影响较小的次要焊缝,再焊接主要焊缝。
在焊接船体外板时,可采用分段退焊法或跳焊法。分段退焊法是将焊缝分成若干小段,每段按照逆向焊接的方式进行,这样可以使焊缝的热应力分布更加均匀;跳焊法则是间隔一定距离进行焊接,让先焊接的部分有时间散热,减少热积累和变形。
控制焊接参数
根据船体材料的种类和厚度,合理选择焊接电流、电压和焊接速度。焊接电流过大,会使焊缝金属过热,导致较大的收缩变形;焊接速度过慢,同样会增加热输入,产生变形。例如,对于厚度为 8 - 10mm 的船用钢板,采用二氧化碳气体保护焊时,焊接电流一般控制在 200 - 300A,焊接速度在 30 - 50cm/min 较为合适。
采用多层多道焊工艺可以有效减少焊接变形。多层多道焊时,每一层的焊缝厚度较薄,热输入相对分散,能够减小焊接应力。而且,后一层焊缝对前一层焊缝有一定的热处理作用,可以改善焊缝组织,减少变形。
精确的零件加工和预装配
在零件加工阶段,要严格控制零件的尺寸精度。采用高精度的切割设备(如数控等离子切割机或激光切割机)来保证零件的边缘精度和平整度。对于一些重要的构件,如肋骨、横梁等,加工精度要控制在毫米级以内。
预装配是在正式装配之前对部分构件进行组合和调整。通过预装配,可以发现构件之间的配合问题,并及时进行修正。例如,在预装配船体分段的框架结构时,检查肋骨与横梁之间的角度和连接尺寸是否符合要求,对不符合的部分进行调整,避免在正式装配时产生强制装配和应力集中。
合理的装配顺序和方法
装配顺序应根据船体结构的特点和受力情况来确定。一般先进行底部结构装配,再装配舷侧和甲板结构。在装配过程中,要采用合理的支撑和定位方法。例如,在装配大型船体分段时,使用可调式支撑装置来保证分段的水平度和垂直度,防止因自重而变形。
对于一些精度要求高的构件,如主机座、舵机座等,可采用无余量装配方法。这种方法要求在零件加工阶段就精确计算尺寸,在装配时直接将构件安装到设计位置,不预留余量进行二次切割或调整,从而保证装配精度和减少变形。