船体结构焊接变形预测与控制_陈辉.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶结构的焊接变形管理是高精度造船的关键，对于改善造船品质、缩短造船周期、降低成本等方面都有着重要作用。在造船期间，焊接变形问题的发生不但会使得焊接品质下降，同时变形严重还会给接下来的装焊工作造成一定的干扰。焊接变形的持续累积造成的直接后果是船体分段之间无法紧密合拢，并且若变形情况复杂，则需要在解决这一问题时耗费大量的时间与精力，不但干扰生产效率，而且不利于成本的节约。本文将阐述并分析船体结构焊接变形预测与控制情况。1 船体结构焊接变形概述1.1 船体结构焊接变形类型船舶构造的主体部分由骨架和板架 2 部分组成，骨架、板架原本相互独立，在经过各个连接件以及焊接加工后生产出成形的船舶构造框架。不过，因为二者材料的材质各不相同，特别是在熔点、传导性等方面都有明显的不同，所以在焊接工艺中极易发生问题，即一个骨架或者板架的内部存在着严重的温度不均匀分布情况，而这一情况直接导致了材料的不平衡热应变，最后导致结构材料产生塑性变形。1.2 船体结构焊接变形因素1）结构焊接的刚性影响船体结构焊接变形预测与控制陈 辉（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 无锡 214400）摘 要：随着经济现代化步伐的推进，中国逐步跻身全球造船大国行列。在船舶建设中，很多新技术、新工艺获得了广泛的运用。造船现代化程度在获得了进一步提升的同时，对船舶建设的总体品质也提出了更高的要求。船舶的船体构造存在着一定的特点，在热传导流程中其构件内部会形成不平衡的温度分布，从而造成船舶构件在焊接流程中遇到形变现象，如果技术人员不采取相应的对策加以解决，就会出现尺寸误差、结构稳定性不佳和整体刚度下降等结果，这不但在一定程度上延缓了后续焊接加工和安装工作的速度，同时也会影响到造船的总体质量安全，还有可能带来难以挽回的经济损失。所以，船舶施工技术人员应当注意船舶结构在焊接过程中的变形现象，以最大限度保证其焊接水平。关键词：船体结构；焊接；变形预测中图分类号：U671.8 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.020引用格式陈辉.船体结构焊接变形预测与控制 J.船舶物资与市场,2023,31(1):59-61.收稿日期：2022-10-11作者简介：陈辉（1983-），男，本科，工程师，研究方向为船舶与海工建造技术。对于焊件而言，其刚性一般是指在开展焊接工作时，焊接结构抗变形的能力。刚性的提高，会引起焊接变形的下降，随着刚性水平的增大，变形程度便会愈小，焊接变形始终沿着结构刚性小的倾向进行。2）焊接热输入影响这一影响因素指的是在熔焊过程中，由焊接能源输送给单位尺寸焊缝上的总热量。热输入通俗点来讲，即指的是焊接过程中的电流、电弧电压、热效率相乘得到的数值，与焊接速度之间所产生的比值，在一般情况下，该比值越大，变形程度越高。3）焊接位置不对称在连接刚性水平不高的结构中，布置对称的焊缝只会产生横、纵收缩作用，而设置不对称的焊缝会产生扭转变形。4）焊缝的方向与角度通常情形下，按照焊接板的厚度加以分析，对接接头的坡口类型为 I 型、V 型、X 型、U 型 4 种，其中 X型坡口由于焊缝双侧具有对称性，故而焊接应力以及变形影响也比较小。对于焊接工作来讲，顺序的差异性也会对焊缝接头的残余应力带来一定的影响，进而影响结构变形情况。通过对焊接工作的顺序加以合理调整，能够有效地减少焊接残余应力，从而减小结构变形1。船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 60 2 船体结构焊接变形预测方法目前，船体结构焊接变形预测方法主要有：1）经验公式法本技术方法主要利用查找焊接手册中的经验公式和数据曲线的形式来估算变形量。曾志斌等整理了关于焊接变形的相关经验公式，并将其汇总成一张表格，其中涉及焊缝的纵、横面变形及角变化量等。不过，其所整理出的相关公式都是基于试验室对窄小板条的焊缝变形实验结果加以汇总得到的，针对船体这种规模较大、复杂度较高的板架结构，存在着较大的不足。2）理论解析法20 世纪 40 年代，奥凯尔勃洛姆等首先开启了关于焊接变形、残余应力的有关调查探索。其结合一维条件背景下应力的应变情况，展开相关分析，主要探究并建立了焊接残余应力、变形的理论研究方法。在这之后，库兹米诺夫等根据该办法继续进行深入探讨并给出以残余塑变求得焊接变形的研究办法。该办法能够对其他方法（如数值分析法等）求得解的准确性加以校核。但因为此方案构建在一个理想性假定之上，因而仅适合于较简单的焊缝结构。3）数值分析法采用该方法对焊接变形的情况加以预测，有助于评价结构性能指标和制造的可行性程度，进而加快研发焊接工艺技术的速度，节省成本。近年来，数值分析法已成为预测船舶结构焊接变形的主要方法。对于热弹塑性有限元法加以分析，这是一个在当今应用较为普遍和比较完善的预测方法。BLANDON 等采用气体加热炬加以分析，将之作为该方法的热源模型，分析热源位置和升温速率等参数对U型肋板形变的作用。CHEN 等采用三维热弹塑性有限元法分析增强筋尺寸及板的细长度对简单角焊缝变化和极限强度的作用，并经过实践得到证明。李功荣等采用热弹塑性有限元法仿真横骨架型船舶底板构件的焊接情况，结果表明在焊接工作进展中，位于船舶底板架角端的胎架约束力作用最大。刘露等采用热弹塑性有限元模型模拟了 2 个插管、壳板的焊接变形情况，并运用平板对接实验论证了有限元建模方法和相关系统参数的合理性。但是，这种举措也有不足之处：1）从复杂化结构的角度加以分析，特别是庞大的船体分段，采用热弹塑性有限元法的计算，所要承担的工作量十分巨大；2）有些物质的高温热物理力学性能指标有所欠缺。对于等效载荷法加以分析，该方法省略了焊接工艺的中间工序，把等效载荷直接添加在相应的结构中，之后再通过一次弹性有限元分析就能够求出残余应力以及变形的相关信息。需要注意的是，该方法的实施，必须精确求出表示焊接变形力学特征的等效载荷。而按照压力的计算，又可以分成固有、塑性应变等效载荷法。对于焊接接头而言，其规格对固有应力变形的作用程度极小，可以忽略不计，其规格尺寸主要与接头类型、材料性质、板厚以及焊接工艺参数密切相关。其实际上是 t，pl，c，ph四者残余分量的总和，为总应力中除去弹性应变 e的残余部分：ito-etplcph。对于固有应变而言，其具体应用期间会面临一定的困难，由于其受到的影响干扰较多，如焊接热循环中峰值温度等因素，都会对其造成一定的影响，对于邻近焊缝的不同位置而言，其对应的数值也会有所不同。但是，若要利用和焊缝横截面保持垂直关系的相应固有应变量积分，获取不同分量所对应的固有变形，则会促使适应能力得到极大程度的增强，这对于预测大规模船舶分段焊接变形会很有帮助。WANG 等采用了固有变形的相关概念理论，单独探讨了矩形板料和加筋板料的屈曲变化机制，分析结果显示，虽然纵向收缩力是形成焊缝屈曲变化的最主要因素，但固有屈曲变化和初始挠度可以被看作是引发屈曲的主要原因，从而直接影响了焊缝变形的程度。PDA 是对固有应力形变等效载荷法的进一步精简。由于在固有应变当中，其热应变会受到焊接结构温度的影响，随着温度的持续降低，最后在达到室温状态下时，其热应变便会消失，并且在开展焊接工作期间，虽然存在蠕变、材料形变，但是由于二者的变化程度不明显，所以可以将其忽略掉，从这一点来看，剩余的塑性应变则发展成为主要应变源。在具体探究过程中，倘若要用到传统的经验公式等，则难免会遇到较大的阻碍，相关研究者便开始探寻更为有效、局限性更小的方法技术，也就是从具体建造的诸多数据信息中找寻固有规律、方法。数据挖掘技术在现如今开始逐渐普及，且其应用于预测焊接变形方面，所获得的效果较为理想，主要应用体现在人工神经网络、聚类分析等方面。3 控制船体结构焊接变形的策略3.1 设计阶段1）设计合理的焊接形式，举例说明，在船舶构造中，随处可见十字接头焊缝，对此可以应用深熔焊、全焊透等形式，使其焊接过程中的受热面积得以减小，从而有第 1 期 61 陈辉：船体结构焊接变形预测与控制效降低变形程度。2）选择最适宜的坡口型式，若钢板的厚度比较高，则可以考虑选用 X 型坡口的方式，此方式要比 V 型坡口的热输入对称，所以产生的变形现象也会更小一些。3）合理减小焊缝量，如果情况允许，还可以优先多选择型材、冲压件。对于焊缝分布比较稠密的区域，还可以选择一些铸-焊接联合结构，也能够合理减小焊缝量。此外还可适当加大板材厚度，降低肋板的使用量，选择压型构件代替肋板构件，对防止薄板结构的形变更加有力。4）合理安排焊缝部位，并力求焊缝部位对称于焊接构件的中性轴线或其附近位置，使焊接收缩产生的扭转应力降低，进而使构件扭转变形程度也降低2。3.2 焊接阶段近年来，多丝焊接、搅拌摩擦焊接、激光-电弧复合焊接等一些新型的焊缝技术在舰船制造领域得到广泛应用，促进我国舰船焊接技术向智能方向发展。首先，分析双丝旁路耦合电弧 GMAW，尽管一般的双丝焊工艺技术大大提高了效率，但因为焊丝与母材电流有着相等性，造成母材热输入过大，性能明显降低。为克服这种问题，LI 等均进行了一系列的探究优化，使得焊接稳定程度以及精确程度得到了显著提升。其次，激光-电弧复合焊接技术。该技术是指融合了独立性的激光焊接与电弧焊后所形成的技术，把二者综合融入在一起，就能够产生优秀的协同效应。激光焊和各种类型的电弧焊技术相结合，使激光-电弧技术的应用越来越普遍。王凯等总结了近几年该类方法在船用铝合金材料、船舶结构钢、船用不锈钢材连接等方面的广泛应用。李晓辉等提出了旋转双聚焦激光-TIG 复合焊工艺，并对 304 不锈钢板进行了各种焊接参数下的工艺测试，试验结果显示，焊接电流和激光输出功率的相互配合，是 2 个热源之间是否能够高效耦合的关键因素。第三，对搅拌摩擦焊工艺加以分析。在船舶建造方面，该工艺技术主要应用体现在加工铝合金构件方面。借助这一工艺技术可以使得规格尺寸较小的铝合金板材得以完成拼接，进而形成尺寸较大的预成型构件，现如今，该技术在多个领域都有所应用，如在游艇、高速舰船等方面应用较为广泛。这一探究工作的开展为工程实践提供了十分重要的参考价值3。3.3 反变形措施反变形措施又被称作变形补偿控制。结合相关经验分析，可在纵向、横向每档肋距分别加放 1 mm、0.5 mm的焊接收缩量，可较好地抵消总尺寸的缩短；在每档肋距施放 1 mm 高度反变形，可较好地抵消船体中垂（或中拱）变形。二者均能够展现出优良的补偿性。3.4 火工矫正船体在施工建造期间不可避免地会产生相应的变形情况，当出现变形时需要及时修正使其满足质量要求。实践证明，任何结构变形矫正技术的实质都是在设法引起新的局部变化，用于消除原来已有的变化。在工程中，常见的矫正技术主要包括机械、火工和综合性的矫正，但是由于机械性技术可以矫正较小的零部件，而对大的分段变形无法完成有效矫正，故而此时可以用火工技术。由于火工矫正有设备简便、容易就地操作、灵活等优点，所以目前已经在制造生产领域中获得了较为普遍的应用。火工矫正工艺是一项有效的处理变形和减少残余应力的技术。在船体构造变形问题中应用该技术，是通过借助金属材料的受热，所发生的新变形去纠正原有的变形。当金属材料局部升温后，升温部位的金属材料会因为受热而膨胀，但因为周围温度比较低，所以膨胀受到一定程度的抑制，此时在受热部位的金属材料受到了压缩压力，在加热温度到达 600700时，压缩应力到达了屈服的最大值，从而发生压缩塑性变形。在停止升温时，由于金属材料的冷却收缩，最终致使受热部位金属纤维要比原来更多一些，从而引起了新的变形。4 结语在船舶焊接时，对船舶结构变形产生影响的因素较多，且各类因素在分析中都能感知到其复杂性。所以，船舶建造人员必须根据船舶结构设计的特性，通过建立模型等合理的手段预测变形情况，并制订出一种切实可行的矫正方法，对超过公差范围的变形量做出适当的矫正，以便最大限度地减少焊缝变