船体结构焊接变形预测与控制方法

船体结构焊接变形预测与控制方法

发表时间：2018-11-06T12:13:40.430Z 来源：《防护工程》2018年第17期作者：杨秀春[导读] 在船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只要采取有效的方法和措施武汉航道船厂湖北武汉 430000 摘要：在船舶建造过程中，焊接变形是不可避免的，只要采取有效的方法和措施，如选择合适的材料，优化焊接工艺等，从而控制焊接变形，满足船舶强度和使用性能要求，达到良好的经济效益。对此，本文将对船体结构焊接变形预测与控制方法进行探究，以供参考。

关键词：船舶，焊接变形，控制方法在现代造船中，船体结构焊接占据着相当大比例的工作量。在焊接过程中，由于船体结构的特殊性，会导致其焊接后出现局部或整体的变形现象，如果不对其采取及时有效的预防和控制措施，将会导致尺寸精度下降、焊接结构失稳和承载强度降低等严重后果，这不仅会给船体的后续焊接和装配带来极大的影响，造成工程进度的延误，还会使船舶质量无法达到规范和标准规定的质量要求，造成无法换回的损失。因此，根据船体结构焊接变形的产生原因和影响因素，研究船体结构焊接变形的预防和控制措施，对于缩短船舶建造周期和提高船舶建造质量都具有重要的现实意义。 1船体结构焊接变形的成因焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。而热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成焊接应力的变形。材料因素是指材料的各项性能指标，一般情况下不能人为的改变，制造因素是指人的活动行为造成的，可以改变，结构因素是设计问题造成的。产生焊接变形最基本和最本质的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件，在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压塑性变形。与热变形有关的因素有焊接工艺方法﹑焊接参数﹑焊缝数量和断面大小﹑施焊方法﹑材料的热物理性能等，与构件刚性有关的因素有尺寸和形状﹑胎夹具的应用﹑装配焊接程序等。由于实际生产过程中焊接是一个非常复杂的过程，影响焊接变形的不可知因素还有很多想完全照出是不可能的，只有根据主要因素采取相应调节措施，以达到预防和控制焊接变形的目的。 2船体结构焊接变形预测与控制方法 2.1 焊接变形预测研究方法 2.1.1实验法 Masubuchi提出了多种试验方法定量分析薄板结构的弯曲变形，认为各种重要因素如焊接热输入、板厚和板纵横比等都是引起弯曲变形的因素，且通过减小热输入来减少焊接区域尺寸是减轻弯曲变形的有效方法。Greene和 Holzbaur基于实验法提出了各种降低焊接变形的方法，是现代船舶焊接变形控制的基础。

2.1.2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。

2.1.3 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。

2.2船体结构焊接变形控制方法 2.2.1船体设计方面

为了控制船体焊接变形，设计院、船厂在设计中采取了各种措施，首先在设计方面，在保证结构有足够强度的前提下，尽量减少焊缝的长度，合理选择坡口形式；对称布置焊缝；适当采用冲压件，以减少焊缝的长度；使用装卡器具装配，以提高装配质量。

2.2.2正确选择焊接工艺，严格遵守焊接程序

（1）在进行船舶的整体建造或分段建造时，都应该从结构中央开始，然后向前后左右逐格进行对称焊接。

（2）在进行船体外板或甲板的对接缝焊接时，错开板缝应先横向后纵向焊接焊缝；而平列板缝则应先纵向后横向焊接焊缝。

（3）在进行总段大接缝等应力较大的接缝焊接时，应进行连续不中断的施焊，直至完成为止。

（4）不同长度的焊缝要采用不同的焊接法。如进行长焊缝（≥ 1m）焊接时，可采用分段退焊法、交替焊法、跳焊法等焊接法；而进行中等长度焊缝（0.5～1m）焊接时，则应采用分中对称焊法。

（5）当单层焊缝和多层焊缝同时存在时，应先焊收缩量较大的多层焊缝，再焊单层焊缝，并且条件允许时，多层焊缝的各层焊缝应采用彼此相反的焊接方向，并错开各焊缝的接头。

2.2.3预制反变形法

所谓反变形法，就是指根据经验或理论计算对焊接变形的大小和方向进行提前预测，然后在焊接前对船体构件或胎架预先施加一个反变形数值，其大小基本等于船体焊接后的变形值，且方向相反。合理采用反变形工艺可以有效降低残余应力和控制焊接变形，从而达到减小甚至消除焊接变形的目的。例如装配时加放焊缝收缩余量、放样时预放反变形量、在制作船体分段的胎架时对胎架结构进行反变形等都属于反变形工艺。

2.2.4刚性固定法

由于刚性大的船体构件焊后变形小，因此，如果焊前加强构件的刚性，同样也可以减小焊接变形。所以，刚性固定法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。此种方法对角变形和波浪变形比较有效。

2.2.5预热法

由于焊接变形是焊接热的不均匀所致，采取适当的预热即是控制焊接裂纹产生的基本方法，也是减少焊接变形的有效措施。预热温度的大小主要根据焊件的材料性质、厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。

2.2.6散热法

散热法又称强迫冷却法，是将散热物体放置在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域，使变形减小。但是，这种方法对淬火倾向较大的材料易产生冷淬而出现焊接裂纹。

综上，船舶建造人员应结合船体结构设计的特点，采用固有应变法对船舶结构的焊接变形进行预测，并制定出一些切实有效的控制措施，对超出公差范围的焊接变形量进行合理的矫正，从而最大限度避免焊接变形现象的出行。

参考文献：

[1]刘国君.船体结构焊接变形的控制探讨[J]．区域治理，2018(3).

[2]彭智，周吉.船体结构焊接工艺方法改进[J]．区域治理，2018(3).