船舶分段建造中焊接

1、船舶分段建造中焊接變形方法的研究項目負責人：姚添項目參與者：牟站江 王凱 賈忠寶 王濤項目類別：D 項目金額：500哈爾濱工程大學船舶工程學院080114班摘要：船體分段建造中的焊接變形是船舶建造過程中的重點和難點。焊接變形問題一直都是造船界較為棘手的問題，解決這一問題對船舶建造的意義非常重大。在現代造船模式中，主要通過采取反變形法、剛性固定法、改進裝焊工藝、制定并嚴格遵守工藝規(guī)程、掌握正確的焊接規(guī)范等來預防船舶分段建造中的焊接變形，并且取得了良好的效果。0 引言 造船從鉚接過渡到焊接，使造船工業(yè)飛速發(fā)展，帶來了以下的利益： 簡化船體結構（消除搭接接頭及各種形式的墊板、楔、鉚、釘等等）； 在保

2、證必要強度的條件下，減輕船體重量，平均達20； 由于工藝簡化、制造過程自動化以及消除像折邊、落樣、鉆孔和擴孔、打鉚釘、捻縫等類工序，而降低船體造價； 用分段和總段建造法在封閉的溫暖車間里裝配船體的分段與總段； 大部分工作轉移到車間從而縮短了船臺建造周期。但是，焊接工藝過程也有一些缺點，其中主要的是結構的變形，即在焊接過程中結構的尺寸和形狀發(fā)生改變。焊接變形使船體裝配和焊接大大復雜化。在零件加工、部件裝配、分段裝配、總段裝配和船體合攏等過程都要預留余量，在對應的裝配工藝前進行切割，保證船體結構的精度。由于船體是三維結構，預留余量只能提高某個方向的精度，無法控制另外兩個方向的精度。此外，對于艦船產

3、品，縱骨和內、外板交錯布置，修整工作難度較大。為了減少或消除焊接變形，焊接矯正成為控制焊接變形的常用手段，但它們顯著提高了制造成本。據美國海軍估計，在某型艦船建造過程中，用于焊接變形控制的費用高達340萬美元。焊接船的建造經驗表明，部件和分段在焊接的過程中發(fā)生的變形使船體裝配和焊接大大復雜化了。在合攏變形了的分段時，大量的時間花費在修整和鏟割工作上。甚至，以焊接代替鉚接獲得的整個經濟效果，被矯正焊接結構的耗費所抵消了。這里要強調的是，校正立體分段（船底分段）特別困難。有時船體分段（船底分段、上層建筑分段等）的變形達到了某種程度，以致無法校正，從而使已制成的結構報廢。綜上所述 ，研究船舶分段建造

4、中焊接變形問題已成為造船界必須面對的棘手問題，即便是現代造船技術已較為成熟，但如何更加精確的計算出焊接變形和控制焊接變形仍然是造出更加優(yōu)良艦船的重要組成部分。1、 研究的目的與意義結構經焊接后的變形若超過允許范圍，將會影響結構的承載能力，特別是對船舶這樣復雜的板殼結構，很容易產生變形。過大的變形影響船型美觀，降低船體結構強度，甚至會增加航行阻力，影響船舶的航行性能等。因此 ，在船舶的建造過程中，必須對焊接變形嚴加控制。所以，研究船體分段建造中的焊接變形問題將會對人們帶來巨大的利益。由于焊接變形的產生對船舶建造造成了一個嚴重的問題，分段建造中的焊接變形的產生一直以來也都對造船界是一個棘手的問題，

5、通過何種方法來控制船舶分段建造中的焊接變形的產生對于建造更優(yōu)質的船舶將起著至關重要的作用。所以，本報告的目的是尋找并總結控制船舶分段建造中焊接變形產生的方法，以達到在船舶建造中控制船舶分段建造中焊接變形產生或盡量減小焊接變形中產生的形變。通過對船舶在建造中變形控制方法的研究，有助于減少在船舶建造時產生的各種變形，防止或減小由于變形帶來的不利影響，使船舶的尺度盡量與設計的尺度相一致，消除或降低焊接變形對尺度的影響，提高船舶的質量，促使船舶的性能更加優(yōu)越。并且，找到控制船舶分段建造中焊接變形的方法，還有助于節(jié)省大量的時間，大大的縮短造船周期，節(jié)省大量的人力物力，降低造船成本，以達到最大的經濟利益。

6、這些是因為如果不能控制好船舶在分段建造中的焊接變形，將會使各分段都產生較大的有焊接引起的形變，在合攏已變形了的分段的過程中，將會花費大量的時間在修整和鏟割工作上。甚至，以焊接代替鉚接獲得的整個經濟效果，被矯正焊接結構的耗費所抵消了。這里要強調的是，校正立體分段（船底分段）特別困難。有時船體分段（船底分段、上層建筑分段等）的變形達到了某種程度，以致無法校正，從而使已制成的結構報廢。這就造成了很大的浪費，因此，研究船舶分段建造中焊接變形方法具有很重要的意義。2、 國內外同類問題的研究現狀與發(fā)展動態(tài)國外焊接變形控制研究發(fā)展現狀及發(fā)展動態(tài)：20世紀30年代以來，許多蘇聯學者就開始了焊接變形計算與控制的

7、研究。奧凱爾勃洛姆教授在論文和焊接變形課程講義的基礎上，于1948年撰寫了專著焊接變形與應力，開展了焊接變形與應力同生產因素和設計結構因素關系的系統(tǒng)研究，提出了防止翹曲和殘余應力的方法。1952年，巴普蘇也夫針對平面分段、半立體分段和立體分段的各種變形，結合各造船廠的實際經驗，提出了防止及減少焊接變形的施工方法，具有較高的工程應用價值。CA庫茲米諾研究了典型船體結構總變形和局部變形的計算方法，提出了減小和補償焊接變形以及矯正主船體結構的解決方案。Greene和Holzbaur開展了降低焊接殘余應力和變形的研究，目前降低殘余應力和焊接變形的技術大多數由他們制定的法則演變而來。Barber等通過對

8、焊道進行強制冷卻來降低焊接殘余應力和變形。法國的國際焊接研究所IIW對“焊接結構中殘余應力和變形預測RSDP”開展了大量研究。1997年，成立了跨部門的x委員會(斷裂)、X HI委員會(疲勞)和XV委員會(結構設計)。RSDP的總體目標是制定預測和確定焊接殘余應力和變形的IIW規(guī)則。英國的BAE集團水面艦船公司與科研院所開展了長期的項目研究，目標是建立大型焊接結構的薄板在制造過程中焊接變形模型和板材彎曲變形相關的制造工藝模型。他們研究了不同制造工藝對薄板、接焊及角接焊的彎曲變形影響，如定位焊和點焊、焊接過程的夾具、冷卻都會引起彎曲變形的顯著變化。由于薄板在水面艦艇和潛艇中都具有廣泛的應用，其研

9、究成果大幅度地提高了艦船產品的質量。日本學者在20世紀50年代就開始了焊接變形研究。70年代，Ueda等提出了固有應力和固有應變的概念，通過實驗方法和彈塑性分析法來求得固有應變的分布，并通過彈性有限元方法計算復雜結構的焊接變形。在實際造船方面，2000年以來，日本船廠依靠極高的內場加工精度及先進的焊接工藝，實現了船臺、船塢無余量合攏，且精度控制的成功率高達80一95。然而，焊接變形的預測和控制主要還是依靠船廠自己積累的測量數據和實際經驗確定。美國海軍和格羅曼·紐斯波特紐斯船廠聯合資助了一個綜合評估輕型薄板制造技術的研究項目。研究指出，2000年以后，平均每條艦船中超過90的鋼板采用薄

10、鋼板。薄鋼板的焊接變形很嚴重，解決矯正變形的成本非常高。研究得到了一些成果：焊接局部彎曲變形是最重要的變形形式；T型加強構件合理設置將有利于防止焊接變形；厚度變化的復雜板底板的對接接頭的過焊會造成嚴重的彎曲變形；優(yōu)化裝焊工藝可使彎曲變形最??；具有自動焊縫跟蹤功能的精度角焊接工藝也避免過焊，從而大幅度地減小焊接彎曲變形。此外，美國對DD(X)多任務驅逐艦的焊接工藝進行了大量研究，鋼板厚度大、強度高，焊縫完整性要求很高。美國海軍開展了ManTeeh項目的研究，研制了一種機械焊接流程，取代手工電弧焊，使焊接變形大幅減小?？傊?，美國船體結構焊接變形的控制主要從優(yōu)化焊接工藝、焊接方法，提高焊接自動化等方

11、式來實現，焊接變形的預測主要依靠實驗和經驗。德國漢堡技術大學的Fricke教授等開展了焊接變形的實驗和仿真研究，針對某型潛艇的HY一80球形殼體的多道焊工藝過程進行了焊接變形仿真。從上面的研究進展可知，造船強國對焊接變形的預測和控制的研究已經取得了大量成果。由于焊接變形的機理尚未完全掌握，理論成果還遠不能滿足現代造船的需要。根據已有成果顯示，蘇聯已將大量焊接變形的計算成果應用于造船，提出了許多減少和補償焊接變形的結構和工藝措施，但其焊接方法和焊接自動化設備相對落后。日本以焊接自動化裝備和先進焊接方法為主，理論預測的應用為輔來控制焊接精度。美國則采用焊接變形理論研究、先進焊接方法和焊接自動化并重

12、的策略，進行焊接變形預測和控制。國內焊接變形研究發(fā)展現狀及發(fā)展動態(tài)： 上海交大的陳楚在吸收蘇聯學者研究成果的基礎上，開展了船體焊接變形研究。汪建華對焊接變形預測開展了廣泛研究。華中科技大學的陳傳堯教授開展了薄板結構焊接變形的預測與控制研究。哈工程的宋競正教授等應用周有應變法預測了船體分段的焊接變形。清華大學的鹿安理提出了移動熱源方式、自適應有限元網絡劃分法及相似理論解決大型實際結構的焊接變形與應力的數值求解問題。在我國造船廠，焊接變形分析以經驗和實測數據為主，理論計算為輔，預測船體結構的焊接變形，并采取結構和工藝措施，控制船體結構的焊接變形。江南造船廠的孫光二開展了5艘同型長江船舶的船體焊接變

13、形測量，著重介紹了雙層底分段裝焊和船臺合攏過程的焊接變形測量、變形原因分析，采取了控制焊接變形的胎架反變形等工藝措施，建造質量顯著提高，如第5艘與第1艘相比，首部上翹值為11，尾部上翹值為23。江南的研究成果對于控制船體焊接變形具有重要的價值，其他船廠在船舶建造過程中不斷積累測量數據，發(fā)現各種船型在分段制作、船塢合攏等階段的焊接變形規(guī)律，焊接變形的控制和理論研究提供基礎，提高船舶產品的制造質量。以較準確地仿真整個焊接過程。臺灣的Teng等應用熱彈塑性有限元法分析了T型接頭、對接接頭的殘余應力和角變形。英國Mollicone等對多種熱彈塑性有限元模型進行了評價。熱彈塑性有限元分析法尚未廣泛應用于

14、船體焊接變形的預測和控制，有2個重要原因：其一，焊接材料性能是該方法面臨的最大問題，特別是高溫環(huán)境船舶產品采用的新材料的性能數據非常缺乏，導致計算結果存在相當大的不確定性；其二，熱彈塑性有限元分析法的計算規(guī)模很大，目前還很難快速、經濟地計算復雜船體結構的焊接變形。 綜上可知，以后的船體建造焊接變形的研究方向主要是通過優(yōu)化焊接工藝、焊接方法，提高焊接自動化等方式來控制焊接變形，控制焊接變形對造船工業(yè)的發(fā)展有著極其重要的意義。3、涉及焊接變形的一般計算問題在船舶建造階段過程中，殘余應力是不可避免產生的，它可有各個生產階段中產生，如板料、棒料以及型材在軋制、鑄造、鍛造和焊接等過程中均可以產生殘余應力

15、。而焊接殘余應力是主要組成部分。金屬是現代船舶建造中最主要的原材料。金屬材料再均勻加熱時將均勻膨脹，不產生熱應力而在不均勻加熱時產生熱應力，當存在不均勻分布的非彈性應變（例如塑性應變）時也將產生殘余應力。對于二維平面應力（）狀態(tài)下的殘余應力將存在下列基本關系：、應力與彈性應變之間存在胡克定律的關系、應力與彈性應變之間存在胡克定律的關系、總的應變滿足相容條件圖中簡要表示了焊接時溫度及應力的變化。圖中表示了在平板上沿X軸堆敷單道焊縫時的情況。焊接電弧位于圖中原點O處。橢圓表示金屬熔化區(qū)，陰影線以外的區(qū)域在整個系統(tǒng)中保持彈性狀態(tài)。A-A截面上，因焊接引起的應力幾乎為零。B-B截面上的應力分布表示于如

16、下圖中。因為熔化金屬不能承受外載，所以位于焊接電弧瞎下面的區(qū)域中的應力接近于零。離開電弧一段距離處維壓應力，這是因為這些區(qū)域的膨脹受到溫度較低的周圍金屬約束的緣故。這些區(qū)域的溫度相當高，所以材料的屈服應力很低。這些區(qū)域的應力與母材在相應的溫度下屈服應力相等。隨著離焊縫距離的增加或者隨著溫度的降低，壓應力逐步達到極大值。在離焊縫更遠的區(qū)域受著拉應力，它與焊縫附近區(qū)域壓應力相平衡，因此，B-B截面上應力分布如下圖所示。圖中標明在C-C截面上焊縫金屬和附近的母材已經冷卻，并力圖收縮，從而在接近焊縫中心的區(qū)域引起拉應力。隨著離開焊縫的距離的增加，應力顯示變?yōu)閴簯?，然后又變?yōu)槔瓚?。在D-D截面上臨近

17、焊縫的區(qū)域產生了很高的拉應力，但是離焊縫較遠的區(qū)域則為壓應力。 從前面的討論中可以得出結論：焊縫過程中的熱應力是由復雜的機理引起的，它包括了從室溫熔化溫度的很快范圍中的塑性變形。因為對塑性變形，尤其是對高溫下的塑性變形的分析十分困難，所以目前只能對一些簡單的情況進行數學分析。 船舶在航行中縱向會受到較大的彎矩。船底縱骨、內底縱骨等縱向構件會受到較大的拉應力。因此焊接結構在受到拉壓過程中的穩(wěn)定狀況將關乎船的質量。焊接結構受拉時如果應力沒有達到屈服點，則焊接結構的伸長黨作用力有如下的關系：半條結構是船舶建造過程中的主要結構，肋骨、縱骨等都屬于板條結構。因此在焊接過程中的變形將對船體變形有重大影響。

18、1.在長板條中心加熱如圖所示厚度為的長板條，在其中間沿長度上同時使用火焰均勻加熱，則在板條橫截面上將出現一個中間高兩邊低的不均勻溫度場，而沿板條長度方向的溫度分布可視為均勻的。分析板條的變形和應力，可從板條中取一段進行分析。假設這個金屬板條是有若干互不相連的小窄條組成，則每根小窄條都可以按著自己被加熱到的溫度自由變形，其結果使單位長度板條端面出現如下圖所示的曲面。其自由變形率即單位長度上的自由變形量，用T來表示：式中當溫度為時，其長度為，當溫度由升至時如不阻礙，其長度由增長至，這段長度的改變就是自由變形，其大小為由于板條加熱部位，即加熱體受便捷框架制約，不能完全自由的變形，產生的壓縮塑性變形量

19、用表示，其變形率：2在板條一側加熱長板條一側同時應火焰均勻加熱，則在長板條中產生對斷面中心不對稱的不均勻溫度場，它將使板條產生變形和應力。位移的大小受內應力平衡和平面假設原則，此板條端面亦有一個位移。位移的大小受內應力必須平衡這一條件所制約。因而不是任何。他們只能產生兩個符號相反，而不作用在同一直線上的力，這樣就構成了不平衡力矩，因而是不可能的。形成了三個正負相同的應力區(qū)，只用在這種條件下應力才能平衡。在這種情況下，板條的外觀變形不僅有端面平移，還有角位移。板條沿長度上就出現了彎曲變形。如果已知溫度T= f（x） 分布，則板條的應力與變形可用下式來表達，內應力平衡條件為由于截面轉動，因此并非常

20、數，而是x的線性函數 代入上式聯立得出，進而求出內應力的分布從中不難看出板條的伸長率板條的曲率焊接梁柱變形計算：撓曲變形量f按式計算：F=cL2/8c-曲率Z-構件截面形心到縱向焊縫的距離；J-構件截面慣性矩；q-焊接線能量，既由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量q=3369.6UK/其中-焊縫成形系數；U-電弧電壓（V）；K-焊腳尺寸；-重疊系數，單位角焊縫為1，雙面角焊縫為1.3；對接開口坡雙面焊縫為1.3.，單面焊縫為1；-電弧熱效率；-熔敷系數。3 焊接橫向焊縫撓度曲變形計算當構件沿長度方向對稱于構建的中心，焊若干橫向焊縫時，其撓度曲線f可從每條焊縫引起的構件末端的變形綜合來計算式中長

21、度為b的橫向焊縫所引起的角位移（弧度），用下式計算：由上式可的橫向焊縫引起的撓曲量為：令為橫向焊接工藝系數，則代入上式得出焊接橫向焊縫撓曲計算式：對不同的焊接方法和焊接規(guī)范r值不一樣。焊接變形是船體變形的主要部分，因而焊接的變形的計算為重要，這里是只對其中一小部分進行分析。4、控制焊接變形的一般方法研究 焊接變形是焊接工藝的固有特點，分段在裝焊過程中，不可避免地會產生縱橫方向的翹曲及收縮變形。這些變形不僅影響船體外形的美觀，也影響船體的性能和強度。從工藝角度看，分段的變形將給船體總裝工作帶來很大困難。因此，采取一定的措施，控制和減少分段變形，減輕火工矯正工作量和保持分段完工尺度的正確性就顯得非

22、常重要。一般控制分段變形的措施有以下幾種：掌握正確的焊接規(guī)范焊接規(guī)范與焊接變形有很大關系。所謂焊接規(guī)范，在手工電弧焊中主要是指焊接的電流強度、焊條直徑與牌號、焊波層數、電弧電壓、電流種類、焊接速度、直流電焊中的極性等方面的選擇。一般來說，焊條直徑小，采用焊接電流也小，即輸入分段的熱量較少，因而焊接變形也較小。焊件輸入熱量不僅取決于焊接規(guī)范，也取決于焊件的焊縫規(guī)格。必須指出，在焊接過程中應使焊縫規(guī)格符合設計要求。不適當的、過大的焊腳，不僅浪費了焊條，而且增加了焊接熱量，擴大了熱影響區(qū)域，加大了焊接變形。例如肋板與中桁材角焊縫設計要求焊腳高度為4 mm，實際卻焊了7 mm，其焊縫截面積要比原來大3

23、倍，必然加大焊接變形。制定并嚴格遵守工藝規(guī)程采用合理的焊接程序能使焊接熱量分布均勻，減少分段的變形。一般多采用從分段中間向前后左右同時施焊的方法，并且對長焊縫采取逐步退焊、跳躍焊等焊法。必須指出，還應合理地安排裝配與焊接階段的交替程序，分段結構應裝配到具有足夠的剛性后才開始施焊，對于容易產生總體變形的分段結構，這一點尤其重要。例如，底部分段不正確的焊接程序會導致熱量集中，容易造成變形。正確的裝配間隙與坡口角度裝配間隙與焊縫坡口角度是影響焊接變形的主要因素，因為直接影響到金屬熔敷量和焊接熱量，從而決定分段變形量。正確地掌握它們，對減少分段變形有著極其重要的意義。反變形法 反變形法是根據結構焊后可

24、能產生的變形情況，預先把焊件人為地制成一個大小相等、方向相反的變形，使焊件焊后變形很小，甚至完全消除。反變形的大小一般有經驗來確定，有的可通過計算來求得。反變形在焊接生產中應用很廣泛，只要變形值給的合適，就能得到較滿意的焊后形狀。例如：底部、舷側、甲板等分段在裝配焊接后脫離胎架時，總有一定的變形。一般說來，在施工工藝條件相同的情況下是有一定規(guī)律的。因此，可以在胎架制造中，事先根據分段變形的趨勢，將胎架模板放出一定數值方向相反大小相等的反變形量，用以補償由于焊接所引起的變形，舷側分段一般都不放反變形，而底部分段反變形量可以根據過去所制造的分段變形情況和經驗判斷來確定。一般采用壓力機壓出反變形，然

25、后進行焊接。剛性固定法剛性大的焊件焊后變形一般較小，所以對于控制焊接變形可采用剛性固定的方法。剛性固定法就是焊前將焊件固定，以增大其鋼性，使其在焊接時不能自由移動，當焊完冷卻后再放開來減小焊接變形。 當分段胎架型線復雜，不適于采用反變形法或由于其他情況而無法采用時，可采取臨時增強分段剛性的方法，即將分段四周和中部用馬板與胎架固定，以此來強制減少分段的焊接變形。對易于變形的結構部位，還可以采用臨時加強裝置。例如對于甲板較薄、寬度較大的長江旅游船，在骨架焊接前可在一定的肋距中加裝臨時寬梁及縱桁，以增加分段本身的剛性。又如制造底部分段時加裝壓排，雙底分段端部加裝假肋板等，都能起到臨時增強分段剛性的作用。分段在吊運及翻身過程中，為了防止發(fā)生變形，也要結合上述情況采取臨時加強措施。散熱法散熱法又稱強迫冷卻法。就是把焊件焊接處的熱量迅速散失，是焊件迅速冷卻，減小焊縫附近金屬的受熱區(qū)域，從而減小焊接變形。散熱法有多種。有的將焊件浸在水中，讓焊接處露出水面；也有用紫銅塊貼緊焊件背面，增加熱量的散失，但這種方法對淬火傾向性大的材料容易產生裂紋，故很少使用。改進裝焊工藝廣泛采用分離裝配法、箱形框架裝焊法，擴大自動焊與半自動焊的使用范圍，可同時達到提高焊縫強度及減少變形的目的