船体结构焊接变形预测与控制技术研究进展

船体结构焊接变形预测与控制技术研究进展

李玖1李威2

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摘要：船体结构的焊接变形控制在造船工程中是非常重要的一个环节，这项工作对于船舰质量以及造船周期的控制都有着十分积极的意义，所以我们一定要采取有效的措施对传统结构焊接变形加以严格的控制。焊接变形种类繁多，情况复杂，主要有横向收缩、纵向收缩、弯曲变形、角变形及翘曲变形等。焊接变形的存在严重影响着焊接结构的制造过程和使用性能。

关键词：船体结构；焊接变形；预测；控制技术；研究进展

引言

船舶精度建造技术就是通过科学的管理与先进的工艺手段对船体建造进行全过程的精度分析与控制，最大限度地减少现场修正工作量，提高工作效率，缩短建造周期，降低建造成本，保证产品质量。影响船舶建造精度的因素很多，如下料、成型、吊装、焊接等。其中，焊接变形是精度控制的关键因素。焊接变形预测技术的发展与焊接变形控制技术的发展密切相关，深入研究焊接变形的机理有助于实现对焊接变形的精确控制。

1.船体结构焊接变形控制

1.1国外焊接变形控制

从20世纪30年代开始，很多苏联的学者就已经开始对环节变形计算与控制工作开始了研究工作。他们在研究的过程中对和生产因素和设计因素相关的系统都进行了全面的研究，并且在研究的基础上提出了避免翅曲和残余应力的有效方法，而在20世纪的50年代，国外的专家学者也在平面分段、半立体分段和立体分段当中的各种变形领域展开了非常全面的研究出，此外在这一过程中也充分的结合了相关的经验，提出了预防和减少焊接变形的具体手段和途径，在工程建设的过程中具有非常高的实用价值。

日本的科学家在同一时期也展开了对焊接变形的研究，在船体制造的过程中，2000年以来日本的造船厂在场内加工精度方面占据着非常大的优势，同时在工作中所采用的施工工艺也非常的先进，在精度上甚至能达到95%，但是在焊接变形的预测和控制工作中主要还是按照自身的实际经验和实测中所获得的数据加以确定。

1.2国内焊接变形控制发展现状

我国的某些研究人员在借鉴了国外研究成果的前提下对船体的焊接变形预测控制进行了全面的研究，同时还有一些研究人员采用固有的应变发对船体分段的焊接变形状况进行了预测，甚至还有一些研究人员他一出了移动热源的方式和自使用有限元网络划分的方法，这对解决结构焊接中变形和应力数值的计算有着十分积极的作用。一些研究人员对5艘相同型号的船舶船体焊接变形进行了测量，同时还介绍了双层底分段装焊和船台合拢当中焊接变形的具体测量方法，对产生变形情况的原因进行了详细的分析，此外还采取了多种措施对其进行了控制，在船舶生产的过程中也不断的总结规律，这也为焊接变形控制和理论研究的完善提供了非常好的条件。船舶制造的质量也在这一过程中得到了非常显著的提升。

2.控制焊接变形的措施

2.1选择科学的设计方法

为减少焊接件的变形，首先应从产品设计入手。在设计中，应充分利用力学、机械原理、金属材料等知识，使设计、加工质量、生产率得到提高。

2.2.1合理选择构件结构：认真分析构件的特点，材料、生产规模、技术要求和前后加工工序的联系，尽量做到构件稳定、截面对称。

2.2.2合理选择焊缝尺寸和布局：焊缝尺寸过大，不但增加焊接工作量和对焊件输入较多的热量，而且增加焊接变形。所以，在满足强度和工艺要求的前提下，尽可能减少焊缝长度和焊缝数量。设计焊缝时，尽量设计在构件截面中心轴的附近和对称于中心轴的位置上，使产生的焊接变形相互抵消。

2.2.3合理选择焊缝的截面和坡口型式：开坡口和不开坡口的T型和十字接头，当强度相等时，开坡口填充的金属量要少于不开坡口的，这对减少焊接变形很有利。

2.2充分利用反变形法

焊缝的焊接过程其实就是焊缝从液态转化为固态的过程，也是焊缝在冷却过程中的收缩过程，焊缝的收缩致使焊接后工件外形尺寸减小。所谓的反变形法就是在生产中预先人为地制成一个变形，使得这个变形与焊后发生的变形方向相反而变形量相等。目前该方法的使用比较广泛，操作简便，主要依靠经验来完成，关于这方面的理论还很少。文献[18]介绍了反变形法在挖掘机动臂焊接过程中的使用，结果表明，在使用了反变形法之后，焊接过程中产生的焊接变形和反变形在一定程度上相互抵消，有效的控制了生产中的焊接变形。宗培、文建成等人用迭代法推导出求解反变形形状的递推公式，对简单立体结构进行了有限元模拟，经过五次迭代得到了最终反变形的设计形状。尽管每一次迭代都要进行复杂的焊接变形计算，但是这种迭代法思路为后续的关于反变形的理论研究提供了铺垫。

2.4制定合理的焊接工艺规程

2.4.1选用合理的工艺参数：严格的控制焊接过程中的各项工艺参数，选用合理的焊接工艺是减少焊接变形的常用方法。如上述文中所述，在挖掘机动臂的焊接过程中，尽可能将电流控制在下限值，以减小热输入。为减小角变形，焊缝的第一层焊接电流量要适当减小，焊速要适当加快。随着焊层和焊道增加，可适当增加焊接电流，以提高焊接生产率，从而有效地减小了动臂焊接后的角变形、扭曲变形与弯曲变形。

2.4.2选择合理的焊接顺序及焊接方向：选择合理的焊接顺序和方向也是减少焊接变形的常用方法。选择焊接顺序和焊接方向一般按下面的原则进行：结构对称时，采用对称焊法；焊缝多比较集中时，采用跳焊法分散受热避免集中受热；长度大于1m的长焊缝，采用分段退焊等；对组合件，先部件组焊矫正合格后，再整体拼装；结构不对称时，先焊焊缝少的一侧；先焊收缩量较大的焊缝，使焊缝能较自由地收缩，以最大限度地减少焊接应力；先焊工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。研究了四种不同焊接顺序对薄板焊接变形的影响，发现从大刚度接头移向小刚度接头的焊接顺序可以减少薄板的弯曲。

2.4.3设计合理的焊装夹具：合理地使用焊接工装夹具是保障零部件焊接工艺质量的基本要素之一，使用焊装夹具正确地安装和固定各个零部件，是进行零部件焊接的先决条件。近年来，特别是在汽车行业和工程机械行业，焊装夹具的设计和使用都是其生产过程中必不可少的一环。在焊接过程中，焊装夹具的夹紧和松开对焊接变形产生着重要的影响。对模块化组合焊接工装夹具系统以及先进的计算机辅助焊接工装夹具设计系统在欧美领先工程装备制造业中的应用做了介绍。事实表明设计合理的焊装夹具对于焊接变形的控制和减少起到了巨大的作用。

2.5系统综合分析法

在焊接生产过程中，应多从整体考虑。采用综合分析的方法建立最优化目标，找到影响焊接变形的关键因素以及这些因素的相互关系并进行量化，从而对焊接变形进行定量控制。李铸国、吴毅雄、林涛等人，在复杂汽车零部件精度焊接成形质量保证系统一文中，分析得出四类主要质量影响因素，采用精度误差理论对各因素进行量化，建立了系统数学模型并进行解析，将模型运用于液力变矩器焊接总成上盖和泵轮的同轴跳动，实现了精度焊接成形的定量控制。

3.结论

当前，我国的焊接力学理论以及数值仿真技术得到了非常显著的发展，对复杂的焊接变形理论和相关的规律也有了更加全面和深入的了解，这也给船体结构焊接变形的控制工作提供了非常好的条件，但是在研究的过程中依然存在着很多不足，需要研究人员对其进行进一步的研究和探索，只有这样才能更好的保证船体的质量和性能。

参考文献：

[1]张宁园，张绪旭.船体结构焊接变形的控制与矫正[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013（07）.

[2]李婧.大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用[D].上海：上海交通大学，2011.

[3]刘彦春.浅析焊接变形的影响因素与控制[J].企业家天地（理论版），2011（02）.