1、造船中的焊接變形和反變形控制1.研究背景船舶工業(yè)是傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型裝配制造業(yè)，焊接操作是其中主要的作業(yè)形式之一，焊接水平的高低在很大程度上決定了船體的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,而焊接變形又是焊接過程中最難控制的一環(huán)。焊接變形的存在不僅造成了焊接結(jié)構(gòu)形狀變異,尺寸精度下降和承載能力降低,而且在工作荷載作用下引起的附加彎矩和應(yīng)力集中現(xiàn)象是船舶結(jié)構(gòu)早期失效的主要原因,也是造成船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度降低的原因之一1。焊接變形對(duì)現(xiàn)代造船技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了障礙。由于焊接變形對(duì)船舶建造質(zhì)量、成本和周期都具有重要影響，工業(yè)界一直對(duì)其非常重視，對(duì)焊接變形從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)行了大量研究，希望能夠?qū)附舆^程進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和控制。反變形可

2、以控制焊接變形，降低殘余應(yīng)力，且方法簡(jiǎn)單易行，在船舶行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。2.背景內(nèi)容針對(duì)造船中的焊接變形，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行大量的研究。焊接過程是一個(gè)非平衡的、時(shí)變的、帶有隨機(jī)因素影響的物理化學(xué)過程，它涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱和力學(xué)等方面。至今對(duì)焊接過程變形的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控仍是困難的，不僅需要特殊的方法，而且對(duì)設(shè)備的要求也很高。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，使得焊接熱加工過程的數(shù)值模擬應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)踐證明數(shù)值模擬對(duì)于研究焊接現(xiàn)象是一種非常有用的方法。2.1國(guó)外專家的預(yù)測(cè)和研究20世紀(jì)30年代以來，許多蘇聯(lián)學(xué)者就開始了焊接變形計(jì)算與控制研究。如C.A.庫茲米諾夫2研究了典型船體結(jié)構(gòu)總變形和局部變形的計(jì)

3、算方法，提出了減少和補(bǔ)償焊接變形以及矯正主船體結(jié)構(gòu)的解決方案。Greene和Holzbaur3開展了降低焊接殘余應(yīng)力和變形的研究，目前降低殘余應(yīng)力和焊接變形技術(shù)大多數(shù)由他們制定的法則演變而來。法國(guó)的國(guó)際焊接研究所對(duì)“焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)RSDP”開展了大量研究。RSDP的總體目標(biāo)是制定預(yù)測(cè)和確定焊接殘余應(yīng)力和變形的規(guī)則。英國(guó)的BAE集團(tuán)水面艦船公司與科研院所4-6開展了長(zhǎng)期的項(xiàng)目研究，目標(biāo)是建立大型焊接結(jié)構(gòu)的薄板在制造過程中的焊接變形模型和板材彎曲變形相關(guān)的制造工藝模型。由于薄板在水面艦艇和潛艇中都具有廣泛的應(yīng)用，其研究成果大幅度地提高了艦船的質(zhì)量。日本學(xué)者在20世紀(jì)50年代就開始了焊

4、接變形研究7-8。70年代，Ueda等提出了固有應(yīng)力和固有應(yīng)變的概念9，通過實(shí)驗(yàn)方法和彈塑性分析法來求得固有應(yīng)變的分布，并通過彈性有限元方法計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形。在實(shí)際造船方面，2000年以來，日本船廠依靠極高的內(nèi)場(chǎng)加工精度及先進(jìn)的焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了船臺(tái)/船塢無余量合攏，且精度控制的成功率高達(dá)80%-95%。然而焊接變形的預(yù)測(cè)和控制主要還是依靠船廠自己積累的測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定。美國(guó)海軍開展了ManTech項(xiàng)目的研究，研制了一種機(jī)械焊接流程，取代手工電弧焊，使焊接變形大幅減少。美國(guó)船體結(jié)構(gòu)焊接變形的控制主要從優(yōu)化焊接工藝、焊接方法、提高焊接自動(dòng)化等方式來實(shí)現(xiàn)、焊接變形的預(yù)測(cè)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)

5、。德國(guó)漢堡技術(shù)大學(xué)的Fricke教授等開展了焊接變形的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，針對(duì)某型潛艇的HY-80球形殼體的多道焊工藝過程進(jìn)行焊接變形仿真。2.2國(guó)內(nèi)專家的預(yù)測(cè)和研究上海交大的陳楚在吸收蘇聯(lián)學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，開展船體焊接變形研究。上海交大的李婧研究了固有應(yīng)變預(yù)測(cè)法和3D板單元熱彈塑性有限元法，其中固有應(yīng)變預(yù)測(cè)法是一種相對(duì)快速且有效的預(yù)測(cè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形的方法,同時(shí)能夠獲得有一定準(zhǔn)確度的焊接殘余應(yīng)力和變形值,為反變形量(補(bǔ)償量)的計(jì)算提供了有力工具,即將預(yù)測(cè)所得的有關(guān)數(shù)據(jù)供焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)選擇參照,并確定實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的預(yù)留變形量,以確保船舶結(jié)構(gòu)的焊接精度和質(zhì)量,其具有很大的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。固

6、有應(yīng)變預(yù)測(cè)法是建立在固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上的（數(shù)據(jù)庫是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接變形的前提）。3D板單元熱彈塑性有限元法能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較高精度的結(jié)果,為預(yù)測(cè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形提供了一種新的思路和方法。10華中科技大學(xué)的陳傳堯教授開展了薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè)與控制研究。哈工程的宋競(jìng)正11等應(yīng)用固有應(yīng)變預(yù)測(cè)了船體分段的焊接變形。清華大學(xué)的鹿安理12提出了移動(dòng)熱源方式、自適應(yīng)有限元網(wǎng)絡(luò)劃分法及相似理論解決大型實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接變形與應(yīng)力的數(shù)值求解問題。江南造船廠的孫光二13開展了5艘同型長(zhǎng)江船舶的船體焊接變形測(cè)量，著重介紹了雙層底分段裝焊和船臺(tái)合攏過程的焊接變形測(cè)量、變形原因分析，采取了控制焊接變形的胎架反

7、變形等工藝措施，建造質(zhì)量顯著提高，如第5船與第1艘相比，首部上翹值為11%，尾部上翹值為23%。3.關(guān)鍵問題船體焊接變形預(yù)測(cè)研究方法有實(shí)驗(yàn)法、熱彈塑性有限元分析方法、固有應(yīng)變法。船體結(jié)構(gòu)焊接變形控制研究方法有焊接方法、控制焊接參數(shù)、控制焊接工藝方案、反變形法、控制溫度場(chǎng)、矯正焊接結(jié)構(gòu)、零件加工精度、系統(tǒng)綜合分析。焊接變形是結(jié)構(gòu)件焊接過程中普遍存在的問題,焊接過程中通過利用反變形方法來達(dá)到減小焊接變形的目的,從而解決了材料利用率低、加工余量大、生產(chǎn)效率低等問題，且方法簡(jiǎn)單易行，在船舶行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。反變形法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算預(yù)測(cè)焊接變形的大小和方向，在焊接前對(duì)船體構(gòu)件或胎架施加與焊接變形相反

8、的預(yù)變形，以此抵消焊接變形。反變形存在的最大問題是焊接變形預(yù)測(cè)比較困難。由于該方法花費(fèi)的額外成本很低，且控制焊接變形的效果可以非常好，隨著焊接變形預(yù)測(cè)水平的提高將具有良好的發(fā)展前景。4.技術(shù)路線為了預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力和殘余變形，專家采用了熱彈塑性法和殘余塑變法。熱彈塑性有限元法跟蹤整個(gè)焊接過程，以給定的時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算出每一時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)，以及每個(gè)時(shí)間段由于溫度變化引起的應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽?，逐步累?jì)疊加，最終得到殘余應(yīng)力與應(yīng)變。熱彈塑性有限元法缺點(diǎn)是計(jì)算量太大和計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，因而對(duì)于一些大型焊接結(jié)構(gòu)還難以完全實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該問題，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)備提出并已在Marc軟件上得到了實(shí)現(xiàn)。計(jì)算時(shí)焊槍前沿和熔池局部的網(wǎng)

9、絡(luò)始終保持密網(wǎng)格，而焊后逐漸冷卻的焊縫恢復(fù)呈稀疏網(wǎng)格。這大幅度地減少了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率，有利于大型結(jié)構(gòu)焊接件焊接過程模擬。清華大學(xué)用自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)平板焊縫進(jìn)行有限元計(jì)算，得到的溫度和位移分布與不使用該技術(shù)的通常三維移動(dòng)熱源計(jì)算得到的結(jié)果吻合的很好，殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)也相同，不過所得殘余應(yīng)力值存在不協(xié)調(diào)性14。該方法在大型結(jié)構(gòu)件焊接變形中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用還需討論。國(guó)內(nèi)外殘余塑變有限元法的研究主要分為兩方面，其一是關(guān)于焊接變形機(jī)理和方法的研究，包括建立焊接殘余塑變參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫；其二是利用殘余塑變有限元對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接變形計(jì)算以及對(duì)一些結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行逆運(yùn)算。目前殘余塑變有限元法

10、在大型船體等焊接變形的預(yù)測(cè)中取得顯著的成功15。如Murakawa等對(duì)窄間隙殘余塑變和焊縫間隙的作用進(jìn)行研究，提出特大型結(jié)構(gòu)焊接變形簡(jiǎn)化計(jì)算法-一單元?dú)堄嗨茏冇邢拊ɑ纠碚?。該方法通過較少的單元來描述如船體等特大結(jié)構(gòu)的焊接變形，將殘余塑變施加在殼單元上，在位移的的描述上引入面外位移W*(Wa+Wb)以及剛性維修正系數(shù)fn（Wb線性系數(shù)），f1（Wb一次微分系數(shù)），f2（Wb二次微分系數(shù)）和f3（Wa+ Wb二次微分系數(shù)）?，F(xiàn)有的殘余塑變理論僅限于簡(jiǎn)單板梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于焊縫分布較遠(yuǎn)的剛性大的結(jié)構(gòu)件，可將用簡(jiǎn)單公式計(jì)算的塑變值通過有限元方法作用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上，但除此之外的情況，考慮焊接順序、焊縫間的

11、作用對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響是很必要的。一般焊接變形可通過焊前反變形、合理的焊接工藝、焊接規(guī)范、焊后機(jī)械矯正、火焰矯正等方法加以控制。而選擇控制焊接變形的方法應(yīng)因地制宜，因時(shí)而易。有效控制焊接變形的方法可以起到事半功倍的效果，從而最大程度節(jié)約人力、物力，確保焊接質(zhì)量，縮短船體結(jié)構(gòu)制作工期。大連理工大學(xué)船舶學(xué)院的劉玉君和李艷君利用熱彈塑性有限元法來模擬結(jié)構(gòu)的焊接過程，對(duì)不同板厚、不同熱源的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行數(shù)值模擬，最終確定焊接結(jié)構(gòu)的彈性反變形規(guī)律：焊接前施加彈性反變形的結(jié)構(gòu)在焊接后角變形趨于零。楊志，周燕分析了焊接反變形在模塊施工過程中的運(yùn)用，通過綜合考慮母材尺寸、性能等現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分析焊接收縮應(yīng)力對(duì)變形

12、的影響，跟蹤焊接過程中角變形角度變化，制定合理的焊接工藝及調(diào)整措施，取得了較好成果，對(duì)其它模塊施工的焊接具有一定的借鑒與指導(dǎo)作用16。我打算采用焊接變形的數(shù)值模擬（該方法是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用一組控制方程來描述一個(gè)焊接過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及隨后形成的殘余應(yīng)力等方面，采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認(rèn)識(shí)）來得出該焊接過程的變形情況。通過對(duì)復(fù)雜或不可觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)則的推斷和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象本質(zhì),弄清焊接過程規(guī)律，以此來預(yù)測(cè)焊接變形的大小和方向。焊接變形的數(shù)值模擬和理論預(yù)測(cè)在研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，它為解決焊接殘余

13、應(yīng)力和變形這一難題帶來了新思路和新方法。參考文獻(xiàn)：1 寇雄,顏錦.船舶焊接變形的形成與控制J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24（1）:121-123.2 巴普蘇也夫.船體焊接變形防止法（第一版）M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1957.3 Greene TW. Controlled low-temperature stress relieving J .Welding Journal Res Suppl, 1946 11(3):171-185. 4 Mollicone P. et al Procedural influences on non-linear distortions in wel

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