船體結構焊接變形的預測與控制研究進展

劉亞光

摘要：對于精度造船的整個過程來說，最重要的部分就是船體結構的焊接變形控制，其能夠對艦船質量產生決定性的影響，并有效促使造船周期縮短。在本文中，筆者主要對焊接變形預測工作的研究方法進行探究，希望能夠推進精度造船技術的發展。

關鍵詞：船體結構;焊接變形;預測;控制

焊接變形是造船精度控制的關鍵因素之一。與傳統的鉚接相對比，焊接使船體結構得到了簡化，促使船體結構減輕了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。但是從事實上來看，焊接也存在著一定的缺點，其中最主要的就是船體結構的尺寸以及形狀發生變化，也就引起了工業界的重視，進而開展相應的研究工作，希望能夠針對焊接過程實現有效的預測和控制。

一、焊接變形預測研究方法及工程應用

（一）實驗法。相關研究顯示，對于薄板結構發生彎曲變形的情況，焊接熱輸入、板厚以及板縱橫比等多種重要因素，均為導致薄板結構發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。當代船舶焊接變形控制的重要基礎就是以實驗法為依據所提出的各項降低焊接變形的方法。

（二）熱彈塑性有限元分析方法。該方法對焊接材料的非線性進行了充分的考慮，能夠應力應變過程實施動態跟蹤，且能夠檢測焊后的殘余應力以及變形，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等有關于焊接過程的多方面重要信息，能夠對整個焊接過程進行精準的仿真。

但是該方法目前尚未得到廣泛的應用，究其原因，主要在于：（1）船舶產品在高溫環境下采用新材料的數據相對較為缺乏，導致計算結果誤差的幅度較大;（2）該方法所需的計算規模相對較大，難以對船體結構焊接變形進行快速、精確的計算。

（三）固有應變法。采用實驗或是熱彈塑性分析法對每條焊縫的等價收縮率進行計算，即為固有應變，之后采用彈性有限元法開展計算工作，就能夠獲取復雜結構的焊接變形。

相對于熱彈塑性有限元分析方法，該方法進行計算采用的主要是彈性有限元法，其計算的工程量相對較少，更加適合應用于大型復雜結構的焊接變形預測。

但是從事實上來看，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的非線性作用。另外，固有應變還會受到船體結構焊接工藝流程的嚴重影響，不僅焊縫的數量相對較多，且需要針對每一條焊縫開展單獨的計算工作，工程量相對來說較為繁重。

（四）其它。粘彈塑性方法進行考慮的，主要是在高溫環境之下粘彈塑性力學行為，所以開展理論計算工作的密度相對更高，并且因為該計算方法與上文中熱彈塑性法具有同一類型的問題，所以想要將其得到更加廣泛的應用，還需進行進一步的改進。

通過相應研究，專業人士通過對二維焊接仿真技術與三維結構分析技術進行結合，可有效避免大型復雜結構出現彎曲變形的情況。

二、船體結構焊接變形控制研究方法

（一）焊接方法。在通常情況下，采用移動電弧對船體結構進行焊接，手工焊、二氧化碳焊以及自動焊等，均為較為常用的焊接方法。一般來說，手工焊的熱量分布最為分散，所以能夠引起的殘余應力以及焊接變形情況程度較為嚴重。由此，在對船體結合進行焊接的過程中，應盡可能減少手工焊的應用，同時盡量增加二氧化碳保護焊和自動埋弧焊的應用。

（二）控制焊接參數。在開展電弧焊接的過程中，由以下公式對加熱被焊構件的熱能進行確定：

（1）

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

在焊接參數之中，能夠對熱能產生影響的因素主要包括焊接電流強度、電弧電壓以及焊接的平均速度，并且影響的程度相對較大。將焊接電流的強度和電弧電壓同時減小，同時增加焊接的速度，均能夠起到縮小高溫區域的作用，進而能夠實現降低焊接變形的目的以及促使殘余應力盡可能減少。

在焊接強度與設計要求相符合的基礎上，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力。

（三）控制焊接工藝方案。在船舶建造的過程中，對焊接工藝方案進行合理選擇，十分有利于減少焊接變形的情況發生。在開展相應工作的過程中，首先能夠對焊接變形產生重要影響的就是焊接順序，特別是能夠對變形產生重要影響。對科學合理的工藝順序進行選擇，有利于減輕變形的情況。在通常情況下，針對縱向構架的雙層底結構，應該選擇的是正態建造方案，分段最大撓曲應為反態建造方案的50%左右。

（四）反變形法。該方法為采用實驗或是理論計算的方式對焊接變形的發展情況進行預測。在開展焊接工作之前，針對船體構件或是胎架施加與焊接變形方向反方向的預變形，以促使焊接變形的情況能夠被抵消。

（五）控制溫度場。焊接溫度場能夠對焊接結構的殘余應力以及焊接變形起到直接的決定作用，在焊接過程之中出現的強制對流換熱情況，能夠將焊接熱量有效減少，進而實現焊接形變的減少消耗。對散熱法進行應用，也就是對焊接區域實施強制的冷卻，使焊接區域的熱量快速消除，目前在造船行業得到了廣泛的應用。

（六）矯正焊接結構。在實施焊接以后對船體結構進行矯正并非最佳的措施，只有在變形已經超過許可范圍的情況下，才能夠進行應用。經常使用的矯正方法主要是使用工具或是機器對焊縫附近被焊構件的局部變形或是總體變形情況進行矯正，但是需要注意的是，這一方法可能導致新的變形出現，并引起被焊構件的材料性能惡化。

三、結束語

當代我國造船行業不斷發展，理論研究已經無法滿足精度造船的發展需求，所以必須將理論研究作為主要基礎，結合實際情況對焊接變形的規律進行掌握，并實施相應的控制措施，以促使船體建造精度得到切實提升。

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（作者單位：天津開發區海寧船舶工程技術有限公司）