焊接工藝參數(shù)與順序?qū)Υw板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響

摘" 要：船體板架結(jié)構(gòu)焊接是制造船舶的重要內(nèi)容，具有接頭連續(xù)性強、密封性好等優(yōu)勢，但同時也會產(chǎn)生一些問題。因此，重點研究焊接工藝參數(shù)及順序?qū)Υw板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響。該文總結(jié)其焊接變形的具體形態(tài)特征，從板架厚度、熱源功率、焊接速度、線能量、環(huán)境溫度和焊接順序等方面展開分析，以合理把握焊接收縮量，有效控制船體板架結(jié)構(gòu)尺寸精度，保證其承載能力。

關(guān)鍵詞：焊接工藝;焊接順序;板架結(jié)構(gòu);焊接變形;焊接收縮

中圖分類號：TG404" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0086-04

Abstract： Welding of ship hull frame structure is an important part of shipbuilding， with advantages such as strong joint continuity and good sealing， but it can also cause some problems. Therefore， the focus is on studying the influence of welding process parameters and sequence on the welding deformation of ship hull frame structures. Summarized the specific morphological characteristics of its welding deformation， analyzed from the aspects of plate frame thickness， heat source power， welding speed， line energy， environmental temperature， welding sequence， etc.， in order to reasonably grasp the welding shrinkage， effectively control the size accuracy of the hull plate structure， and ensure its load-bearing capacity.

Keywords： welding process; welding sequence; plate structure; welding deformation; weld shrinkage

在船舶行業(yè)中，焊接工藝占整個船體建造用時的30%～40%，可實現(xiàn)分段造船、流水作業(yè)，自動化程度較高。但受熱源能量集中、焊縫溫度變化均勻等因素的影響，船體板架結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)殘余應力及變形，導致結(jié)構(gòu)尺寸、形狀發(fā)生改變，甚至引發(fā)裂紋和脆性斷裂等問題，不僅會威脅船體的建造質(zhì)量，還會顯著增加其生產(chǎn)成本。因此，應深入把握船體板架結(jié)構(gòu)焊接變形的內(nèi)在規(guī)律，為后續(xù)的預測控制環(huán)節(jié)提供可靠依據(jù)[1]。

1" "船體板架結(jié)構(gòu)焊接變形的基本形態(tài)

船體板架結(jié)構(gòu)焊接變形的形態(tài)主要可分為5類，一是收縮變形，焊件尺寸比焊前縮短，包括縱向和橫向收縮變形2種;二是角變形，在焊接過程中，焊縫兩側(cè)金屬受熱不均勻，焊接面膨脹受阻，冷卻時焊縫兩側(cè)的相對角度發(fā)生變化，進而產(chǎn)生變形，焊縫的截面形狀被改變;三是彎曲變形，由于焊縫分布不對稱，其收縮力不均，容易出現(xiàn)彎曲變形;四是波浪變形，薄板結(jié)構(gòu)在焊接后經(jīng)常出現(xiàn)該種變形，材料在凝固結(jié)束后產(chǎn)生的壓應力超過了臨界應力，導致材料失穩(wěn)，主要垂直于焊縫方向，且與焊縫中心存在一定距離;五是扭曲變形，各接頭收縮不一致，產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)或傾斜[2]。

2" 焊接工藝參數(shù)對船體板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響

2.1" 工藝參數(shù)設(shè)計

采用數(shù)值模擬中的熱-彈塑性法分析船體板架結(jié)構(gòu)的焊接變形情況，將一船體板架結(jié)構(gòu)作為研究對象，所用的基準材料為普通船用低碳鋼，其底板與筋板的尺寸分別為1 367 mm×320 mm×8 mm、340 mm×320 mm×8 mm。采用不均勻的精細網(wǎng)格進行劃分，其中焊縫周圍為偏細密的網(wǎng)格，遠處區(qū)域為偏粗的網(wǎng)格，二者中間為過渡形式，整體為八節(jié)點六面體單元[3]。將結(jié)構(gòu)模型的初始溫度設(shè)定為常溫20 ℃，并設(shè)置相應的對流散熱邊界條件、位移邊界條件，厚度設(shè)為3種，分別是8、16、20 mm，采用的工藝參數(shù)見表1。

將上述焊接方案應用在不同厚度的船體板架結(jié)構(gòu)模型中，通過有限元分析得到相應的焊接橫向收縮量數(shù)據(jù)，具體見表2。

2.2" 板架厚度的影響

基于表2的數(shù)據(jù)分析板架厚度對結(jié)構(gòu)整體焊接橫向收縮量的影響，在速度、功率不變的情況下，隨著板架厚度的增加，其焊接橫向收縮量處于降低趨勢，二者呈反比關(guān)系;在功率不同、速度不同的情況下，板架厚度與結(jié)構(gòu)整體焊接橫向收縮量的變化關(guān)系基本趨于一致。計算發(fā)現(xiàn)，在板架厚度逐漸從8 mm增加至16、20 mm的3個階段，對應的焊接橫向收縮量降低率分別為46%～49%、69%～71%、82%～84%。

2.3" 熱源功率

基于表2的數(shù)據(jù)分析熱源功率對結(jié)構(gòu)整體焊接橫向收縮量的影響，在速度、板架厚度不變的情況下，隨著板架厚度的增加，結(jié)構(gòu)焊接橫向收縮量處于上升趨勢，二者呈正比關(guān)系。計算發(fā)現(xiàn)，當板厚為8 mm時，3.2、4.0、5.0 mm/s 3種焊接速度下的最大與最小橫向收縮量比值分別為2.0、2.1、2.2;當板厚為16 mm時，最大與最小橫向收縮量比值分別為2.0、2.1、2.2;當板厚為20 mm時，最大與最小橫向收縮量比值分別為1.7、2.6、2.3?？偟脕砜矗跓嵩垂β逝c焊接橫向收縮量的變化關(guān)系中，厚度和焊接速度的影響較小，同時當變化量較大時，收縮量的增大比率也在提高。

2.4" 焊接速度

分析焊接速度對結(jié)構(gòu)整體焊接橫向收縮量的影響，焊接速度實質(zhì)上代表的是構(gòu)件的受熱變化。在熱源功率、板架厚度不變的情況下，隨著焊接速度的提升，結(jié)構(gòu)焊接橫向收縮量處于下降趨勢，二者呈反比關(guān)系。比如當板厚為8 mm、功率為4 000 W時，3.2、4.0、5.0 mm/s 3種焊接速度下的橫向收縮量由4.02 mm降至2.43 mm。總得來看，焊接速度與焊接橫向收縮量的變化關(guān)系和熱源速度的規(guī)律具有相似性，且總體變化幅度較小。

2.5" 線能量

綜合把握焊接速度和熱源功率對結(jié)構(gòu)整體焊接橫向收縮量的影響，以3種板厚參數(shù)為基礎(chǔ)，確定線能量與變形收縮量的關(guān)系。基于表2數(shù)據(jù)，初步判定二者具有一定的線性關(guān)系，設(shè)計用線性解析式進行數(shù)值模擬計算，得到的數(shù)據(jù)如圖1所示。其中皮爾遜相關(guān)系數(shù)是用于度量2個變量之間線性相關(guān)程度的統(tǒng)計量，為二者協(xié)方差和各自標準差的商;擬合優(yōu)度是指回歸直線對觀測值的擬合程度，為回歸平方和在總平方和中所占的比率，2種數(shù)據(jù)的絕對值越接近1，則表明線性關(guān)系越好[4]。觀察圖1中數(shù)據(jù)可知，在不同板厚的情況下，其擬合數(shù)值均接近1。同時，在板架厚度逐步降低的情況下，船體板架結(jié)構(gòu)厚度與變形收縮量的線性數(shù)據(jù)會隨之上升，即擬合度更好。

2.6" 環(huán)境溫度

在焊接船體板架結(jié)構(gòu)時，受季節(jié)、天氣等因素的影響，工廠環(huán)境溫度會發(fā)生變化，會直接影響焊接熱循環(huán)過程，以及后續(xù)的應力分布與作用效果。為了確認環(huán)境溫度與焊接橫向收縮量的關(guān)系[5]，結(jié)合實際情況，共設(shè)計了10種環(huán)境溫度參數(shù)，分別為-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40 ℃，并在焊接速度、熱源功率、板架厚度等條件不變的情況下，通過有限元分析得到收縮量數(shù)據(jù)，具體如圖2所示。分析圖2中數(shù)據(jù)可知，當工廠環(huán)境溫度不斷升高時，船體板架結(jié)構(gòu)的橫向收縮量也隨之增加，二者呈正比關(guān)系，40 ℃下的最大收縮量與-5 ℃下的最小收縮量比值為1.13。

3" 焊接順序?qū)Υw板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響

3.1" 焊接順序設(shè)計

以上述有限元模型為基礎(chǔ)，設(shè)計相應的船體板架結(jié)構(gòu)焊接方案。模型研究的對象為雙筋板，厚度為8 mm。為了有效分析焊接順序?qū)Υw板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響，對雙筋板結(jié)構(gòu)進行適當簡化，并設(shè)計了相應的焊接順序方案，具體如圖3所示。圖3中的1為沿第1條角焊縫焊接，2↓為沿第1條角焊縫反方向焊接，之后以此類推。其中，方案1#、2#、3#是同時焊接筋板2條角焊縫，方案4#、#5#、6#、7#是先焊接角焊縫一側(cè)，再焊接另一側(cè)。

3.2" 焊接順序的影響

依照上述方案進行數(shù)值模擬分析，得到的船體板架結(jié)構(gòu)焊接橫向收縮量數(shù)據(jù)如圖4所示。觀察圖4中數(shù)據(jù)可知，方案1#、2#、3#的焊接橫向收縮量明顯比方案4#、#5#、6#、7#的數(shù)值大，且方案5#的收縮量最小，與前3種方案比，收縮量約減少了8%。可判定同時焊接筋板2條角焊縫時，會增加熱輸入量，導致船體板架結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力降低;先后焊接角焊縫時，熱量分布較為均勻，變形相對較小。

4" 結(jié)束語

采用有限元模型，深入分析了焊接工藝參數(shù)、順序?qū)Υw板架結(jié)構(gòu)焊接變形的影響，得出如下結(jié)論。

1）板架厚度、熱源功率、焊接速度、線能量和環(huán)境溫度都與船體板架結(jié)構(gòu)焊接變形存在直接關(guān)系。

2）在焊接工藝參數(shù)中，熱源功率的影響相對最大，環(huán)境溫度的影響較小。因此，施工期間應盡量降低熱源功率和焊接速度，減少焊接變形的累積量。

3）在焊接船體板架結(jié)構(gòu)時，應采用先焊接一側(cè)角焊縫，然后再焊接另一側(cè)的方案，可有效降低橫向收縮量，控制變形問題，并節(jié)約時間成本。

參考文獻：

[1] 梁歸慧，謝鋒，韓世偉，等.1500MPa級超高強鋼復雜薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形預測[J].機械工程學報，2023，59（24）：95-107.

[2] 張雪松，李登矗.廂板典型結(jié)構(gòu)的焊接變形分析與工藝約束優(yōu)化[J].熱加工工藝，2022，51（3）：122-126，130.

[3] 張新瑞，王晨，雷正龍，等.薄壁艙體構(gòu)件電子束焊接變形模擬分析與優(yōu)化[J].焊接，2024（5）：1-8，15.

[4] 易斌，王江超.板架結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)變形的預測及瞬態(tài)熱拉伸消除[J].機械工程學報，2023，59（14）：64-72.

[5] 蔣永揚，郭振亮，陶騰，等.基于ANSYS的鋼箱梁底板U肋在不同焊接順序的焊接變形研究[J].焊接技術(shù)，2023，52（11）：19-23.