浅谈控制船体焊接变形的方法

[摘 要]船体焊接变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，它影响着焊接结构的制造过程和船体焊接结构的使用性能。控制焊接变形技术对焊接结构的制造和使用有重要意义，文章详述了控制焊接变形技术，从而有助于更好地提高焊接质量。

[关键词]船体焊接 变形 控制方法

中图分类号：F131 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0310-01

引言

焊接技术是一门重要的金属加工技术，应用广泛，在船舶制造、机械加工等领域都能用到。尽管焊接技术在造船行业发展很快，自动化程度也越来越高，然而，焊接过程中的焊接结构残余变形是避免不了的。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是船舶结构早期失效的主要原因，也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一。焊接变形在焊接结构中的分类是很复杂的，按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形，按变形的外观形态可分为五种基本形式，即收缩变形、扭曲变形、角变形、波浪变形和弯曲变形。

一、国内焊接变形预测与控制发展现状

上海交大的陈楚在吸收苏联学者研究成果的基础上，开展了船体焊接变形研究。汪建华对焊接变形预测开展了广泛研究。华中科技大学的陈传尧教授开展了薄板结构焊接变形的预测与控制研究。哈工程的宋竞正等应用固有应变法预测了船体分段的焊接变形。清华大学的鹿安理提出了移动热源方式、自适应有限元网络划分法及相似理论解决大型实际结构的焊接变形与应力的数值求解问题。在我国造船厂，焊接变形分析以经验和实测数据为主，理论计算为辅，预测船体结构的焊接变形，并采取结构和工艺措施，控制船体结构的焊接变形。江南造船厂的孙光二开展了5 艘同型长江船舶的船体焊接变形测量，着重介绍了双层底分段装焊和船台合拢过程的焊接变形测量、变形原因分析，采取了控制焊接变形的胎架反变形等工艺措施，江南的研究成果对于控制船体焊接变形具有重要的价值，其他船厂在船舶建造过程中不断积累测量数据，发现各种船型在分段制作、船坞合拢等阶段的焊接变形规律，为焊接变形的控制和理论研究提供基础，提高船舶产品的制造质量。

二、焊接变形分类

焊缝纵向收缩引起的结构尺寸的纵向缩短，称为纵向收缩变形。焊缝纵向收缩量一般随焊缝长度的增加而增加。是沿焊缝方向的收缩产生的，包括纵向收缩，纵向弯曲等；焊后产生的横向变形主要是横向缩短。钢板越厚横向收缩量也增加；板厚相同，坡口角度越大横向收缩量也越大。横向变形是与焊缝方向垂直的收缩产生的，包括横向收缩、和角变形等。波浪变形主要出现在薄板焊接结构中，主要是因为焊缝纵向缩短对钢板边缘的压力超过一定的数值时，板就会出现波浪形式的变形，另一种是由于角焊缝横向收缩不均匀引起的角变形造成的。构件焊接后产生的扭曲称为扭曲变形，它是由于装配质量不好、工件搁置不当及焊接方向不合理引起的。

三、影响船体焊接变形的因素

焊接材料的线膨胀系数，焊接方法，焊接工艺参数，焊接方向等都是影响焊接变形的原因。在保证焊透的情况下，尽量用线能量较小的焊接工艺参数。影响焊接变形的因素不是孤立作用的，而是各种因素综合作用的结果。

3.1 焊接方法和工艺参数

尽可能让焊缝自由收缩最大限度减小应力对大型焊接结构，焊接应从中间向四周对称进行。先焊收缩量大的焊缝。对接焊缝收缩量比角焊缝大，所以同一结构中这两种焊缝并存时，尽量先焊对接缝。根据焊接结构具体情况，尽量采用较小的工艺参数，如采用小直径焊条和小电流；如果焊接电流较大，那么焊接速度也要加快，以减少焊件受热范围，达到减小焊接应力和变形的目的。

3.2 焊缝在结构中的位置

焊缝在结构中布置的不对称，是造成弯曲变形的主要因素。对于复杂的船体焊接构件中和轴上下有许多焊缝，距中和轴距离也不同，非常容易产生弯曲变形。所以应尽量使焊缝的分布对称舯剖面的中和轴，避免在容易产生变形的方向或应力集中的位置布置焊缝。焊缝距中和轴越远，焊接收缩力对中和轴的力矩越大，焊接的弯曲变形也越大。所以焊缝应布置在中和轴上或尽量靠近中和轴，以减少弯曲变形。

3.3 装配和焊接程序、金属结构的刚性大小是影响变形的因素，刚性大的结构焊后不易产生变形，刚性小的结构焊后容易产生变形

合理的装配焊接程序是减小焊接变形的首要条件。先装配成整体再进行焊接的顺序是合理的，有利于减小变形。装焊程序能引起构件刚性变化和重心改变，对控制变形有很大影响。因此就整个结构生长而言，这就有边装配边焊接和装配成整体后再焊接两种方式可选。对于简单结构来说，采用后一种方式，可减少弯曲变形。

四、船体结构焊接变形预测与控制方法

4.1 焊接变形预测研究方法

4.1.1 热弹塑性有限元分析方法

热弹塑性有限元分析法考虑了焊接材料的非线性，能够动态跟踪应力应变过程以及焊后的残余应力与变形，研究覆盖了焊接过程的各个方面，包括焊接方法、焊接材料、焊接接头形式和焊接参数等信息，可以较准确地仿真整个焊接过程。

4.1.2 固有应变法

与热弹塑性有限元法相比，固有应变法采用弹性有限元法计算，计算工程量相对较小，更适于大型复杂结构的焊接变形预测。为了将固有应变法应用于船体结构焊接变形预测，有必要针对典型船舶产品的典型建造工艺，结合焊接方式、焊接材料、焊接工艺、接头形式及结构的尺寸和形状，建立焊接固有应变的数据库，解决分段制造、总段组装和总段合拢阶段的焊接变形预测问题，为焊接变形的控制提供理论依据。

4.2 船体结构焊接变形控制研究方法

4.2.1 焊接方法

船体结构的焊接一般用移动的电弧来进行，常用的焊接方式包括手工焊、二氧化碳保护焊、自动埋弧焊等方式。一般情况下，手工焊的热量分布较分散，热强度较小，引起的焊接变形和残余应力较大。因此，在船体结合焊接时，应减少手工焊，积极扩大二氧化碳保护焊和自动埋弧焊。

4.2.2 控制焊接工艺方案

合理选择焊接工艺方案是船舶建造过程中减少焊接变形的最常用的方法。其中，焊接顺序对焊接变形影响很大特别是弯曲变形。选择合理的工艺顺序将可以减轻弯曲变形，如纵向构架的双层底结构，选择正态建造方案，分段最大挠曲约为反态建造方案的50%。

4.2.3 反变形法

反变形法是根据实验或理论计算预测焊接变形的大小和方向，在焊接前对船体构件或胎架施加与焊接变形方向相反的预变形，以此抵消焊接变形。反变形法可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。例如，在船体分段的胎架制作时，对胎架的结构进行反变形，有效地降低焊接变形。

五、结束语

随着焊接力学理论和数值仿真技术的发展，对复杂的焊接变形的机理和规律有了深入的了解，为船体结构焊接变形的控制和解决带来了新思路和新方法，并在船舶产品中有了一些成功的实例。

参考文献

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[2] 巩玉胂.浅谈焊接变形[J].科技情报开发与经济.2008（08）.