船体结构焊接变形的预测与控制研究进展

刘亚光

摘要：对于精度造船的整个过程来说，最重要的部分就是船体结构的焊接变形控制，其能够对舰船质量产生决定性的影响，并有效促使造船周期缩短。在本文中，笔者主要对焊接变形预测工作的研究方法进行探究，希望能够推进精度造船技術的发展。

关键词：船体结构;焊接变形;预测;控制

焊接变形是造船精度控制的关键因素之一。与传统的铆接相对比，焊接使船体结构得到了简化，促使船体结构减轻了20%左右，不仅在一定程度上降低了船体的制造成本，还有效缩短了造船的周期。但是从事实上来看，焊接也存在着一定的缺点，其中最主要的就是船体结构的尺寸以及形状发生变化，也就引起了工业界的重视，进而开展相应的研究工作，希望能够针对焊接过程实现有效的预测和控制。

一、焊接变形预测研究方法及工程应用

（一）实验法。相关研究显示，对于薄板结构发生弯曲变形的情况，焊接热输入、板厚以及板纵横比等多种重要因素，均为导致薄板结构发生弯曲变形的重要因素，而减少热输入，就能够减少被焊接热所影响的面积，从而有效在一定程度上减轻弯曲变形。当代船舶焊接变形控制的重要基础就是以实验法为依据所提出的各项降低焊接变形的方法。

（二）热弹塑性有限元分析方法。该方法对焊接材料的非线性进行了充分的考虑，能够应力应变过程实施动态跟踪，且能够检测焊后的残余应力以及变形，其研究范围覆盖了焊接方法、焊接材料、焊接接头形式以及焊接参数等有关于焊接过程的多方面重要信息，能够对整个焊接过程进行精准的仿真。

但是该方法目前尚未得到广泛的应用，究其原因，主要在于：（1）船舶产品在高温环境下采用新材料的数据相对较为缺乏，导致计算结果误差的幅度较大;（2）该方法所需的计算规模相对较大，难以对船体结构焊接变形进行快速、精确的计算。

（三）固有应变法。采用实验或是热弹塑性分析法对每条焊缝的等价收缩率进行计算，即为固有应变，之后采用弹性有限元法开展计算工作，就能够获取复杂结构的焊接变形。

相对于热弹塑性有限元分析方法，该方法进行计算采用的主要是弹性有限元法，其计算的工程量相对较少，更加适合应用于大型复杂结构的焊接变形预测。

但是从事实上来看，该方法在一定程度上忽略了多条焊缝之间的相互作用所引起对的非线性作用。另外，固有应变还会受到船体结构焊接工艺流程的严重影响，不仅焊缝的数量相对较多，且需要针对每一条焊缝开展单独的计算工作，工程量相对来说较为繁重。

（四）其它。粘弹塑性方法进行考虑的，主要是在高温环境之下粘弹塑性力学行为，所以开展理论计算工作的密度相对更高，并且因为该计算方法与上文中热弹塑性法具有同一类型的问题，所以想要将其得到更加广泛的应用，还需进行进一步的改进。

通过相应研究，专业人士通过对二维焊接仿真技术与三维结构分析技术进行结合，可有效避免大型复杂结构出现弯曲变形的情况。

二、船体结构焊接变形控制研究方法

（一）焊接方法。在通常情况下，采用移动电弧对船体结构进行焊接，手工焊、二氧化碳焊以及自动焊等，均为较为常用的焊接方法。一般来说，手工焊的热量分布最为分散，所以能够引起的残余应力以及焊接变形情况程度较为严重。由此，在对船体结合进行焊接的过程中，应尽可能减少手工焊的应用，同时尽量增加二氧化碳保护焊和自动埋弧焊的应用。

（二）控制焊接参数。在开展电弧焊接的过程中，由以下公式对加热被焊构件的热能进行确定：

（1）

在公式（1）之中，加热被焊构件的单位热能使用q进行表示，cal/cm;焊接电流强度使用I进行表示，A;电弧电压使用U进行表示，V;焊接平均速度使用V进行表示，cm/s;电弧加热构件过程的效率使用进行表示。

在焊接参数之中，能够对热能产生影响的因素主要包括焊接电流强度、电弧电压以及焊接的平均速度，并且影响的程度相对较大。将焊接电流的强度和电弧电压同时减小，同时增加焊接的速度，均能够起到缩小高温区域的作用，进而能够实现降低焊接变形的目的以及促使残余应力尽可能减少。

在焊接强度与设计要求相符合的基础上，将角焊接的焊脚尺寸缩小，有利于促使焊接热量减少，也就能够降低焊接变形以及残余应力。

（三）控制焊接工艺方案。在船舶建造的过程中，对焊接工艺方案进行合理选择，十分有利于减少焊接变形的情况发生。在开展相应工作的过程中，首先能够对焊接变形产生重要影响的就是焊接顺序，特别是能够对变形产生重要影响。对科学合理的工艺顺序进行选择，有利于减轻变形的情况。在通常情况下，针对纵向构架的双层底结构，应该选择的是正态建造方案，分段最大挠曲应为反态建造方案的50%左右。

（四）反变形法。该方法为采用实验或是理论计算的方式对焊接变形的发展情况进行预测。在开展焊接工作之前，针对船体构件或是胎架施加与焊接变形方向反方向的预变形，以促使焊接变形的情况能够被抵消。

（五）控制温度场。焊接温度场能够对焊接结构的残余应力以及焊接变形起到直接的决定作用，在焊接过程之中出现的强制对流换热情况，能够将焊接热量有效减少，进而实现焊接形变的减少消耗。对散热法进行应用，也就是对焊接区域实施强制的冷却，使焊接区域的热量快速消除，目前在造船行业得到了广泛的应用。

（六）矫正焊接结构。在实施焊接以后对船体结构进行矫正并非最佳的措施，只有在变形已经超过许可范围的情况下，才能够进行应用。经常使用的矫正方法主要是使用工具或是机器对焊缝附近被焊构件的局部变形或是总体变形情况进行矫正，但是需要注意的是，这一方法可能导致新的变形出现，并引起被焊构件的材料性能恶化。

三、结束语

当代我国造船行业不断发展，理论研究已经无法满足精度造船的发展需求，所以必须将理论研究作为主要基础，结合实际情况对焊接变形的规律进行掌握，并实施相应的控制措施，以促使船体建造精度得到切实提升。

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（作者单位：天津开发区海宁船舶工程技术有限公司）