哈尔滨工程大学澄西船厂沪东船厂专题总结报告.docx

船厂实习专题报告船舶焊接的种类及变形07011813李贝琦一、手工电弧焊设备手工电弧焊是用手操纵焊条进行焊接的一种电弧焊。手工电弧焊时，利用焊条和焊件之间产生的电弧热将焊条和焊件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化的母材一起形成熔池。随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，形成焊缝。手工电弧焊使用的设备简单，操作方法简便灵活，使用性强，可在室内、野外、高空、甚至水下，可进行平、横、立、仰等位置施焊。但是对焊工操作技术要求很高，焊接质量在一定程度上决定于焊工的操作技术水平。此外，手工电弧焊劳动条件差，生产率低。手工电弧焊适于焊碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢等特种钢，还适于焊高强钢、铸铁、铜及其合金等。焊接接头与母材大多可达等强度。可焊最小厚度1.0mm，工件一般厚度在1.5mm以上。目前，我国手工电弧焊焊机有三大类：弧焊发电机、弧焊整流器和弧焊变压器。选择设备时要考虑：首先根据焊条药皮类型选择焊机种类。酸性焊条虽然交、直流均可使用。其次，还要根据焊接产品所需的焊接电流范围和实际负载持续率来选择焊机容量，即焊机的额定电流。手工电弧焊的辅助设备与工具有： (1)焊钳用以夹持焊条进行焊接的工具，应安全、轻便、耐用。有300A和500A两种。（2）焊接电源应采用多股细铜线电缆，外面有绝缘耐腐蚀软橡胶包裹。焊接电缆长度一般不宜超过2030m。（3）面罩为防止焊接时的飞溅，弧光及其它辅材对焊工面部及颈部损伤的一种遮蔽工具，有手持式和头盔式两种。面罩上安有保护眼睛用的焊工护目遮光镜片。此外，还应备有敲渣锤、钢丝刷、焊条保温筒等。焊工还应配以绝缘胶鞋、工作服和手套，以防触电和身体烧伤。 二、埋弧自动焊与自动焊设备 埋弧自动焊与手工电弧焊的区别，在于焊丝的给送和电弧沿着焊接方向移动都是自动的。埋弧焊接时的热源仍是电弧，其过程是电弧发生在焊丝与母件之间并在一层4060mm厚的焊剂下燃烧。部分焊剂熔化形成一层熔渣，覆盖在焊缝上，使整个电弧燃烧区域形成一个封闭空间。随着电弧沿焊接方向移动，焊丝不断地熔化并不断地送进，以填充熔池。与此同时，焊剂也不断地撒在电弧周围，使电弧埋在焊剂中燃烧。这些过程都是自动进行的，所以称之为埋弧自动焊。埋弧自动焊的优点：焊接生产率高、焊接质量好、焊接热影响区的宽度比手工电弧焊小，这对防止近缝区金属过热和韧性下降以及减小焊接变形都是十分有利的。此外，由于焊丝进给速度恒定，没有手工电弧焊由于用手拿焊钳焊接产生的颤动现象，因此焊缝能确保焊接质量；同时降低焊工的劳动强度、操作时没有弧光、自动进行焊接、劳动条件得以改善；节省材料和电能；容易实现生产过程机械化和自动化。埋弧自动焊设备：埋弧自动焊机主要由焊接电源、控制箱、焊车、焊接电源和控制线等组成。根据施焊需要，还有一些辅助设备，如焊车行走轨道、铺放焊件的平台或电磁平台、移动焊件的胎架等。焊车是完成焊接工作的主要机构，它是一台自行式的小车。小车的横臂上悬挂着机头、焊剂斗、焊丝盘和控制盘。机头功能是给送焊丝，它由一台直流电动机、减速机构和给送轮所组成。焊丝给送速度可在0.52m/min范围内调节。控制盘上有电流表、电压表、调节小车速度和焊丝给送速度的电位器、控制焊丝上下的按纽、电流增大和减小按纽等。焊车由电动机通过减速器及离合器来带动，焊接速度可在1570m/h范围内调节。 三、二氧化碳气体保护焊及其设备 二氧化碳气体保护焊是用二氧化碳气体为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种电弧焊接法。气体二氧化碳密度大，受电弧加热后体积膨胀也大，所以在保护电弧和焊接熔池避免有害气体侵入方面，效果相当良好。二氧化碳气体保护焊设备由三部分组成，即焊接电源及控制箱、焊栓及送丝系统和二氧化碳的供给装置。二氧化碳气体保护焊的过程，电源的两端分别接在焊枪和焊件上。焊丝由送丝机构带动，经软管和导电嘴不断地向电弧区域给送。同时，二氧化碳气体以一定压力和流量送入焊枪，经由喷嘴后，形成保护气流，使熔池和电弧不受空气的侵入。随着焊枪的移动，熔池金属冷却凝固而成焊缝，从而将被焊工件连成一个整体。 二氧化碳气体保护焊的优点:焊接成本低、生产率高、抗锈能力强、焊接变形小、操作性能好。 二氧化碳气体保护焊可以焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢等材料，还适于磨损零件和有缺陷零件的表面修复补焊。二氧化碳气体保护半自动焊可用于短焊缝、曲线焊缝和空间焊缝的焊接，也适用于薄板件的点焊及定位焊。长而直的焊缝则宜采用二氧化碳气体保护自动焊。 总之，二氧化碳气体保护焊是一种单面焊，双面成形，一次焊透，变形小、成形快、省时、省力、省钱并确保焊缝强度和冲击韧性，从而确保焊接质量，提高环保指数的最佳焊接工艺方法。目前，在各大船厂中，特别是建造万吨级以上的大船均采用这种方法。 焊接应力与焊接变形：焊缝由于有内部结构上的缺陷和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。同时，在焊接过程中，焊件受到不均匀的电弧加热，受热区域的金属膨胀程度也就不同，此时产生的内应力和变形是暂时的，但当焊接完毕待焊件完全冷却后，剩余的内应力和变形称为残余内应力和变形。焊接后产生的内应力简称焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种：单向应力，焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力是单方向的。双向应力，在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在一个平面内，即应力是双向的。三向应力，当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。根据焊接应力相对于焊缝的方向不同，可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必采取特殊的方法消除它们。但当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降，容易产生裂缝。焊接变形产生的原因手工电弧焊接过程中的焊接电弧由在两个电极之间的气体介质中产生持久的放电现象所产生的。电弧的产生是先将两电极相互接触而形成短路，由于接触电阻和短路电流产生电流热效应的结果，使两电极间的接触点达到白热状态，然后将两电极拉开，两电极间的空气间隙强烈地受热，空气热作用后形成电离化；与此同时，阴极上有高速度的电子飞出，撞击空气中的分子和原子，将其中的电子撞击出来，产生了离 子和自由电子。在电场的作用下，阳离子向阴极碰撞；阴离子和自由电子向阳极碰撞。这样碰撞的结果，在两电极间产生了高热，并且放射强光。电弧是由阴极区（位于阴极）、弧柱（其长度差不多等于电弧长度）和阳极区（位于阳极）三部分所组成。阴极区和阳极区的温度，主要取决于电极的材 料。一般地，随电极材料而异，阴极区的温度大约为2400K3500K，而阳极区大约为2600K4200K，中间弧柱部分的温度最高，约为 5000K8000K。焊接接头包括焊缝和热影响区两部分金属。焊缝金属是由熔池中的液态金属迅速冷却、凝固结晶而成，其中心点温度可达2500以上。靠近焊缝的基 本金属在电弧的高温作用下，内部组织发生变化，这一区域称为热影响区。焊缝处的温度很高，而稍稍向外则温度迅速下降，热影响区主要由不完全熔化区、过热 区、正火区、不完全正火区、再结晶区等段组成，热影响区的宽度在830 mm范围内，其温度从底到高大约在500 -1500之间。焊接变形的种类，按其对结构影响的大小可分为下面两种：整体变形，指整个结构的形状或尺寸发生变化。整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。直线变形，指结构的长、宽、高尺寸的改变，按其方向又可分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。局部变形，指结构的某种部分发生变形。它包括角变形和波浪变形两种。焊后变形将严重影响到结构的外形和它的承载能力，其中整体变形对结构的影响较大，而局部变形的影响则较小。焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热，近缝区的构件在加热和随后冷却过程中发生了塑性变形。受到焊接残余应力的焊缝金属的收缩变形有以下几种情况：纵向焊接残余应力和变形、横向焊接残余应力和变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形。（一）纵向焊接残余应力和变形长板对接接头焊缝处受热温度较高，因此焊缝金属有较大伸长，离焊缝金属较远的部位温度较低，伸长则较小。钢板中间温度高的金属受到两边温度低的金属限制，阻碍了它的自由伸长，因此这部分产生压力。（二）横向焊接残余应力和变形在与焊缝轴线垂直的方向上，焊缝和热影响区金属在加热过程中也要受到压应力，并发生塑性变形，而冷却后则存在焊接残余应力和变形，这叫做焊接横向残余应力和变形。当两块钢板在对接焊时，沿焊缝中心线向两焊缝边缘焊缝区将产生纵向压缩，这种收缩的结果将使钢板产生变形。但是，焊接接头是由焊缝连接成一个不可分离的整体，结果在焊缝中部产生横向拉应力，而焊缝两端出现横向压应力。另外，一条焊缝不是在同一时内完成，而总是要一段一段地逐步焊完，焊缝全长上的加热时间不一致，同一时间内各段受热温度不均匀，膨胀与收缩也不一致，因此这段与那段之间就形成了对自由变形的互相限制。总的横向应力是由上述两部分应力合成的结果。分段退焊法和从中间向两端焊（对称焊法）较好，应力分布比较均匀，焊接变形较小。但是要注意在直通焊时，板材则往往由于受到很大的压缩应力，丧失稳定性而产生波浪变形。 （三）弯曲变形板件接头焊接时，对焊件的加热是集中在边缘一个很小的宽度内，加热很均匀，而且无热的传导，也就是说，与加热区邻接的金属是冷的。加热区金属膨胀，如焊件不太大，就会在膨胀力作用下产生弯曲，而在加热区产生压缩塑性变形。而冷却后，这加热部分金属受到拉应力作用，它的反作用力也就使焊件发生反向弯曲。弯曲变形的大小以挠度的数值来度量，而挠度的大小与焊件的长度成正比。纵向收缩可造成弯曲变形，横向收缩也可以造成弯曲变形。横向收缩变形对弯曲的影响也是不容忽视的。弯曲变形与加热引起的压缩塑性变形区宽度、焊缝离构件重心的距离以及构件的刚性等有密切关系。构件的刚性，是它抵抗变形的能力，主要决定于结构的形状和尺寸的大小。在其他条件相同时，增加焊件的刚性，将有利于减小弯曲变形。（四）角变形焊缝沿厚度方向加热不均匀以及各层焊缝的收缩不一致，都会使板材绕焊缝轴线旋转一个角度，这种现象称为角边形。厚板焊接时，焊接的一面温度高，另一面温度低，因此，温度高的一面产生的压缩塑性变形大，温度低的一面则小。冷却时则在板的厚度上发生各层焊缝收缩不均匀现象，焊接的一面收缩大，另一面收缩小，所以容易产生角变形。（五）波浪变形波浪变形主要出现在薄板焊接结构，产生的原因一种是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力；另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形。在船体结构中有很多是平面板材，如甲板、内底版、舷侧外板等，往往大面积拼板焊接时便显得板薄、刚性不够，在压缩应力过大的情况下，板材就会丧失稳定性而出现波浪变形。（六）扭曲变形在焊接结构中，焊接残余应力与变形之间的关系是一个矛盾的两个方面。如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩，则焊后焊件的变形较大而焊接应力较小，如果焊接过程中焊件受外界约束或自身刚性较大而不能自由收缩，则焊后焊件变形小，但其内部存在较大的焊接残余应力。我们在实际生产中要善于掌握和应用结构焊接残余应力和变形的基本理论，在实际生产中采取有效的工艺措施，以利于控制船体结构的焊接变形和焊接残余应力状态，从而提高船舶的建造质量。焊件的残余变形和应力的危害性：在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生了变化，而焊完并冷却后所留下的变形和应力不是暂时的而是残余的。通常焊件 的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件的尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承 受载荷，使产品质量大大下降，而校正却要消耗大量的精力和物力，有时导致产品报废。同时焊接裂缝的产生往往也和焊接残余变形和应力有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而使的使用性能大为下降，从而对这类金属的焊接件生产造成工艺上的大量困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接时内应力 发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减少它的危害性。当船体结构经焊接后的变形若超过允许范围，则会使结构承受载荷的能力降低，或使其外形受到影响。在船体线型复杂，同时又是板材结构，如果焊接时不采取一定的措施，便容易产生变形。船体的变形不但影响船型外表美观，更会增加船舶航行阻力，降低了船舶的航行性能，同时也会大大降低船体结构强度。因此，对船体结构焊接变形应引起足够的重视。影响焊接结构变形的主要因素有：1. 焊缝在结构中的位置； 2. 结构刚性的大小； 3. 装配和焊接顺序； 4. 焊接规范的选择。 从焊接工艺上分析，影响焊缝收缩量的因素有：用手工电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊前沿焊缝进行点固焊。这不仅有利于减小焊接变形，也有利于减小焊接内应力。备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。焊接工艺中影响焊缝收缩量的因素有：1. 线膨胀系数大的金属材料，其变形比线膨胀系数小的金属材料大；2. 焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加；3. 角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小； 4. 间断焊缝比连续焊缝的收缩量小； 5. 多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小；6. 在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量小，约减少40%-70%；7. 焊脚等于平板厚度的丁字接头，角变形量较大。在焊接结构生产中，常常采取如下的生产工艺措施以防止和减少焊接残余应力与变形。（）选择合理的装配和焊接程序尽可能考虑焊缝的自由收缩，对于大型船结构的焊接应从中间向四周对称进行。如工字梁在对焊接时，无论先焊面板或是腹板的接头，横向收缩会在角焊缝内引起很大应力，甚至产生裂缝，所以应设法使它能自由收缩。为此可采取将角焊缝留出一段后焊，使对接接头的横向收缩能自由地进行。收缩量大的焊缝先焊，对带筋板的工字梁，如先进行面板和腹板的焊接，再焊筋板的角焊缝，则由于角焊缝的横向收缩很大，会在面板和腹板的角焊缝内造成很大的焊接应力。采取对称焊接，对于刚性大而断面对称的构件，施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。对称布置的焊缝，应采用双数焊工对称的进行焊接。采用焊缝的不同焊接法，在焊接长焊缝（1m）时，可采用分断退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.51m）的焊缝可采用分中对称焊法。（2）反变形法所谓反变形法，就是根据焊后变形的情况，预先给以一个方向相反、大小相等的变形，使构件焊后变形很小甚至完全消失。采用此法时，应预先确定反变形的数值，以便达到消除焊后变形的目的。反变形的数值，一般是凭