船體結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè)與控制研究進(jìn)展

劉亞光

摘要：對(duì)于精度造船的整個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，最重要的部分就是船體結(jié)構(gòu)的焊接變形控制，其能夠?qū)ε灤|(zhì)量產(chǎn)生決定性的影響，并有效促使造船周期縮短。在本文中，筆者主要對(duì)焊接變形預(yù)測(cè)工作的研究方法進(jìn)行探究，希望能夠推進(jìn)精度造船技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu);焊接變形;預(yù)測(cè);控制

焊接變形是造船精度控制的關(guān)鍵因素之一。與傳統(tǒng)的鉚接相對(duì)比，焊接使船體結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，促使船體結(jié)構(gòu)減輕了20%左右，不僅在一定程度上降低了船體的制造成本，還有效縮短了造船的周期。但是從事實(shí)上來(lái)看，焊接也存在著一定的缺點(diǎn)，其中最主要的就是船體結(jié)構(gòu)的尺寸以及形狀發(fā)生變化，也就引起了工業(yè)界的重視，進(jìn)而開(kāi)展相應(yīng)的研究工作，希望能夠針對(duì)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)測(cè)和控制。

一、焊接變形預(yù)測(cè)研究方法及工程應(yīng)用

（一）實(shí)驗(yàn)法。相關(guān)研究顯示，對(duì)于薄板結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形的情況，焊接熱輸入、板厚以及板縱橫比等多種重要因素，均為導(dǎo)致薄板結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形的重要因素，而減少熱輸入，就能夠減少被焊接熱所影響的面積，從而有效在一定程度上減輕彎曲變形。當(dāng)代船舶焊接變形控制的重要基礎(chǔ)就是以實(shí)驗(yàn)法為依據(jù)所提出的各項(xiàng)降低焊接變形的方法。

（二）熱彈塑性有限元分析方法。該方法對(duì)焊接材料的非線性進(jìn)行了充分的考慮，能夠應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程實(shí)施動(dòng)態(tài)跟蹤，且能夠檢測(cè)焊后的殘余應(yīng)力以及變形，其研究范圍覆蓋了焊接方法、焊接材料、焊接接頭形式以及焊接參數(shù)等有關(guān)于焊接過(guò)程的多方面重要信息，能夠?qū)φ麄€(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)的仿真。

但是該方法目前尚未得到廣泛的應(yīng)用，究其原因，主要在于：（1）船舶產(chǎn)品在高溫環(huán)境下采用新材料的數(shù)據(jù)相對(duì)較為缺乏，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差的幅度較大;（2）該方法所需的計(jì)算規(guī)模相對(duì)較大，難以對(duì)船體結(jié)構(gòu)焊接變形進(jìn)行快速、精確的計(jì)算。

（三）固有應(yīng)變法。采用實(shí)驗(yàn)或是熱彈塑性分析法對(duì)每條焊縫的等價(jià)收縮率進(jìn)行計(jì)算，即為固有應(yīng)變，之后采用彈性有限元法開(kāi)展計(jì)算工作，就能夠獲取復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形。

相對(duì)于熱彈塑性有限元分析方法，該方法進(jìn)行計(jì)算采用的主要是彈性有限元法，其計(jì)算的工程量相對(duì)較少，更加適合應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)。

但是從事實(shí)上來(lái)看，該方法在一定程度上忽略了多條焊縫之間的相互作用所引起對(duì)的非線性作用。另外，固有應(yīng)變還會(huì)受到船體結(jié)構(gòu)焊接工藝流程的嚴(yán)重影響，不僅焊縫的數(shù)量相對(duì)較多，且需要針對(duì)每一條焊縫開(kāi)展單獨(dú)的計(jì)算工作，工程量相對(duì)來(lái)說(shuō)較為繁重。

（四）其它。粘彈塑性方法進(jìn)行考慮的，主要是在高溫環(huán)境之下粘彈塑性力學(xué)行為，所以開(kāi)展理論計(jì)算工作的密度相對(duì)更高，并且因?yàn)樵撚?jì)算方法與上文中熱彈塑性法具有同一類型的問(wèn)題，所以想要將其得到更加廣泛的應(yīng)用，還需進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

通過(guò)相應(yīng)研究，專業(yè)人士通過(guò)對(duì)二維焊接仿真技術(shù)與三維結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可有效避免大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)彎曲變形的情況。

二、船體結(jié)構(gòu)焊接變形控制研究方法

（一）焊接方法。在通常情況下，采用移動(dòng)電弧對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，手工焊、二氧化碳焊以及自動(dòng)焊等，均為較為常用的焊接方法。一般來(lái)說(shuō)，手工焊的熱量分布最為分散，所以能夠引起的殘余應(yīng)力以及焊接變形情況程度較為嚴(yán)重。由此，在對(duì)船體結(jié)合進(jìn)行焊接的過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少手工焊的應(yīng)用，同時(shí)盡量增加二氧化碳保護(hù)焊和自動(dòng)埋弧焊的應(yīng)用。

（二）控制焊接參數(shù)。在開(kāi)展電弧焊接的過(guò)程中，由以下公式對(duì)加熱被焊構(gòu)件的熱能進(jìn)行確定：

（1）

在公式（1）之中，加熱被焊構(gòu)件的單位熱能使用q進(jìn)行表示，cal/cm;焊接電流強(qiáng)度使用I進(jìn)行表示，A;電弧電壓使用U進(jìn)行表示，V;焊接平均速度使用V進(jìn)行表示，cm/s;電弧加熱構(gòu)件過(guò)程的效率使用進(jìn)行表示。

在焊接參數(shù)之中，能夠?qū)崮墚a(chǎn)生影響的因素主要包括焊接電流強(qiáng)度、電弧電壓以及焊接的平均速度，并且影響的程度相對(duì)較大。將焊接電流的強(qiáng)度和電弧電壓同時(shí)減小，同時(shí)增加焊接的速度，均能夠起到縮小高溫區(qū)域的作用，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)降低焊接變形的目的以及促使殘余應(yīng)力盡可能減少。

在焊接強(qiáng)度與設(shè)計(jì)要求相符合的基礎(chǔ)上，將角焊接的焊腳尺寸縮小，有利于促使焊接熱量減少，也就能夠降低焊接變形以及殘余應(yīng)力。

（三）控制焊接工藝方案。在船舶建造的過(guò)程中，對(duì)焊接工藝方案進(jìn)行合理選擇，十分有利于減少焊接變形的情況發(fā)生。在開(kāi)展相應(yīng)工作的過(guò)程中，首先能夠?qū)附幼冃萎a(chǎn)生重要影響的就是焊接順序，特別是能夠?qū)ψ冃萎a(chǎn)生重要影響。對(duì)科學(xué)合理的工藝順序進(jìn)行選擇，有利于減輕變形的情況。在通常情況下，針對(duì)縱向構(gòu)架的雙層底結(jié)構(gòu)，應(yīng)該選擇的是正態(tài)建造方案，分段最大撓曲應(yīng)為反態(tài)建造方案的50%左右。

（四）反變形法。該方法為采用實(shí)驗(yàn)或是理論計(jì)算的方式對(duì)焊接變形的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。在開(kāi)展焊接工作之前，針對(duì)船體構(gòu)件或是胎架施加與焊接變形方向反方向的預(yù)變形，以促使焊接變形的情況能夠被抵消。

（五）控制溫度場(chǎng)。焊接溫度場(chǎng)能夠?qū)附咏Y(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力以及焊接變形起到直接的決定作用，在焊接過(guò)程之中出現(xiàn)的強(qiáng)制對(duì)流換熱情況，能夠?qū)⒑附訜崃坑行p少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接形變的減少消耗。對(duì)散熱法進(jìn)行應(yīng)用，也就是對(duì)焊接區(qū)域?qū)嵤?qiáng)制的冷卻，使焊接區(qū)域的熱量快速消除，目前在造船行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

（六）矯正焊接結(jié)構(gòu)。在實(shí)施焊接以后對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行矯正并非最佳的措施，只有在變形已經(jīng)超過(guò)許可范圍的情況下，才能夠進(jìn)行應(yīng)用。經(jīng)常使用的矯正方法主要是使用工具或是機(jī)器對(duì)焊縫附近被焊構(gòu)件的局部變形或是總體變形情況進(jìn)行矯正，但是需要注意的是，這一方法可能導(dǎo)致新的變形出現(xiàn)，并引起被焊構(gòu)件的材料性能惡化。

三、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)代我國(guó)造船行業(yè)不斷發(fā)展，理論研究已經(jīng)無(wú)法滿足精度造船的發(fā)展需求，所以必須將理論研究作為主要基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)焊接變形的規(guī)律進(jìn)行掌握，并實(shí)施相應(yīng)的控制措施，以促使船體建造精度得到切實(shí)提升。

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（作者單位：天津開(kāi)發(fā)區(qū)海寧船舶工程技術(shù)有限公司）