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论文郑中焊接变形论文船舶 与港口工程系(定稿) 专科毕业设计（论文）设计题目船体焊接变形及矫正系部船舶与港口工程系专业船舶工程技术/计算机应用技术班级船工/微机061402姓名郑中臣学号061923140229指导教师康双琪职称讲师xx年6月南京摘要焊接在造船过程中占了举足轻重的作用，焊接的好坏直接影响船体质量。 船体结构在焊接时，会不可避免地出现焊接变形。 目前，多采取预防措施对焊接变形进行控制。 本文主要探讨焊接变形的影响，变形的基本形式，产生的主要因素，控制方法以及焊接变形的矫正。 特别是焊接在造船中的应用，引起了造船工业的革命，促进了造船事业的发展。 焊接代替铆接后，不仅出现了全焊接船（1920年在世界上出现了第一艘全焊接船），并使船体从散装建造方式发展到分段建造，大大缩短了造船周期。 在现代造船中，焊接更是一项很关键的工艺，焊接工时和成本在整个船体建造过程中占了40%左右，研究改进焊接技术对提高造船生产率有很大的意义。 随着造船量的增加，世界各造船船国家的主要船厂都陆续的进行了现代化造势，分别建立了平面分段流水线，实现了平面分段装配焊接的机械化、自动化，形成了由数十种焊接工艺方法组成的，以节能、高效为特征的造船焊接技术体系，大大加快了船舶的建造速度。 然而在焊接过程中出现的问题也不可忽视，接下来我们谈谈船体焊接变形的的问题及控制矫正方法。 2焊接变形的概念及变形的影响金属部件在受外力作用后，无论外力多么小，部件均会产生内部应力而变形。 当外力停止作用后，如果部件仍能恢复到原来的形状和尺寸，则这种变形称为弹性变形。 当外力增大到一定程度时，外力停止作用后，金属部件不能恢复到以前的形状和几何尺寸，这种变形称为塑性变形。 在船体建造过程中，焊接结构件大量应用于各个制造工序。 焊接接头变形对接头的性能有着较大影响，使得船体构件的强度、韧性下降。 此外，焊接变形不利于船体制造精度的控制，从而最终影响到船舶的建造质量。 3焊接变形基本形式由于热胀冷缩的原理，在焊接过程中，由于焊接热源和焊接热循环的作用，使焊件受热不均匀。 因此，金属各部分受热时的膨胀与冷却时的收缩也不同。 这样，就在焊件中产生了变形。 焊接变形的种类较多，但其对结构影响的大小可分为以下两种。 3.1整体变形所谓整体变形，是指整个结构的形状或尺寸发生变化。 整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。 它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等，如图3-1中(a)、(b)、(d)图所示。 直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变，按其方向又可分为纵向变形和横向变形。 纵向变形是指平行于焊缝方向的变形；横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。 （a）直线变形（b）弯曲变形（c）波浪变形（d）扭曲变形（e）角变形图3-1焊接变形的基本形式3.2局部变形局部变形是指结构的某部分发生变形，包括角变形和波浪变形两种，如图3-1(c)、(e)所示。 焊后变形将影响到结构的外形和它的承载能力，其中整体变形对结构的影响较大，而局部变形对结构的影响较小。 4影响船体焊接变形的因素在焊接过程中的热应变、塑性应变是产生焊接变形的原因。 通常在低碳钢焊接时，相变发生在弹性丧失温度以上，对焊接变形和最终的残余应力影响较小，往往予以忽略。 但在低合金高强钢焊接时，固态相变常发生在弹性丧失温度以下，必须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化。 因此，焊接变形是热应变、塑性应变以及相变应变综合影响的结果。 由于焊接结构中产生的焊接变形是个很复杂的问题，所以只从船体建造工艺角度分析影响焊接变形的一些主要因素。 4.1施焊方法和焊接工艺参数不同施焊方法引起的收缩量也不同。 当焊件的厚度相同时，单层焊的纵向收缩比多层焊收缩大，这是因为多层焊时，先焊焊道冷却后阻止了后焊焊道的收缩。 逐步退焊比直通焊收缩小，这是因为前者可使焊件温度比较均匀，产生压缩塑性变形比较分散的缘故。 焊接工艺参数的影响主要为线能量。 一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大。 4.2焊缝长度及其截面积一般来说，焊缝的纵向收缩量随焊缝长度的增加而增加，而焊缝的横向收缩量随焊缝宽度增加而增加。 横向收缩量还与板厚、坡口形式及接头形式有关。 手弧焊时，板厚增加，收缩量增大，自动焊时则有所不同；在同样厚度条件下，V形坡口比X形坡口收缩量大，对接焊缝的横向收缩量比角焊缝大。 4.3装配和焊接程序装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变，对控制构件的焊接变形有很大的影响。 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供选择。 对于简单结构来说，采用后一种方式，可以减少其弯曲变形。 除此之外，焊接电流、焊接速度和焊接方向等对结构变形都有一定的影响。 大多数焊接结构的变形是随着焊接电流的增加而增加，而随焊接速度的增加而减小，所以一般都是在保证焊件和焊透的情况下采用单位能较小的焊接规范（单位长度所受到的热量）。 焊接方向对变形的影响要视具体结构而定，同样一道焊缝可以采用不同方向进行焊接，可以从一端向另一端“直通”焊接，也可以从中间像两端或从两端向中间进行焊接，结果会引起不同的变形情况和应力状态。 5.船体焊接变形的控制方法焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。 根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的，只能控制。 控制焊接残余变形必须从船体结构设计和施工工艺两个方面同时采取措施。 在船体结构设计上除了要满足船舶的强度和使用性能外，还必须满足船舶制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。 焊接工艺是船体施工中的重要工艺之一。 合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。 船体结构不按照焊接工艺特点进行设计，将带来过大的残余变形，削弱船舶强度，影响船舶使用性能。 在船体结构设计方面，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，如将船体分为若干小部件与船体分段，使焊接变形分散在各个部件上，便于船体变形的控制与矫正;使船体焊缝的布置与船体分段截面中性轴对称或接近截面中性轴，避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形;对每一条主要焊缝，尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝;避免焊缝过分集中和交叉布置;尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式(如槽形舱壁)等等。 有以下几种方法5.1反变形法根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 反变形的数值，一般凭经验估算，比如在船厂中，焊工师傅根据多年的焊工经验，V形坡口单面对接焊变形的情况，当采用反变形后，给板材一个很小的角度，变形就基本上消除了。 工字梁焊后由于角焊缝的横向收缩引起的角变形，若焊前采用夹具先把上下面板压出反变形，然后进行装配焊接，就能消除焊后角变形。 5.2合理的焊接工艺方法采用焊接热源比较集中的焊接方法进行焊接可降低焊接变形。 如CO2气体保护焊、氩弧焊等还有选用合理的焊缝尺寸和型状，在保证构件的承载能力的条件下，应尽量采用较小的焊缝尺寸；减少焊缝的数量，在满足质量要求的前提下，尽可能的减少焊缝的数量；合理安排焊缝的位置，只要结构上允许应该尽可能使焊缝对称于焊件截面的中和轴或者靠近中和轴。 5.3选择合理的焊接顺序尽量使焊缝自由收缩。 焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。 如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形合理的装配和焊接顺序。 具体如下1）先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝。 2）焊缝较长的焊件可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。 3）焊件焊接时要先将所以的焊缝都点固后，再统一焊接。 能够提高焊接焊件的刚度，点固后，将增加焊接结构的刚度的部件先焊，使结构具有抵抗变形的足够刚度。 4）具有对称焊缝的焊件最好成双的对称焊使各焊道引起的变形相互抵消。 5）焊件焊缝不对称时要先焊接焊缝少的一侧。 6）采用对称与中轴的焊接和由中间向两侧焊接都有利于抵抗焊接变形。 7）在焊接结构中，当钢板拼接时，同时存在着横向的端接焊缝和纵向的边接焊缝。 应该先焊接端接焊缝再焊接边接焊缝。 8）在焊接船体构件时，同时存在着对接焊缝和角接焊缝时，要先焊接对接焊缝后焊接角接焊缝。 9）十字接头和丁字接头焊接时，应该正确采取焊接顺序，避免焊接应力集中，以保证焊缝获得良好的焊接质量。 对称与中轴的焊缝，应由内向外进行对称焊接。 5.4刚性固定法焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防角变形和波浪变形。 此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 5.5锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。 锤击可以用圆头手锤或气锤进行。 实践证明，在焊完第一道焊缝后进行锤击，可使内应力几乎完全消除，但要防止裂缝。 另外锤击最好在热状态下进行，这时金属具有较高的塑性，对于低碳钢应在150-200摄氏度。 为了保持焊缝的美观，最后一层焊缝往往不锤击。 其余各层焊缝每焊完一道立即锤击，直至将焊缝金属表面锤击出均匀的密密麻麻的麻点为止。 5.6回火法焊件焊好后，将焊件整体放入加热炉中，并以不超过25-60度/h的升温速度进行加热。 对低碳钢焊件应加热到600-650度，并保温一定时间。 焊后冷却，焊件才可出炉。 当焊件尺寸很大而不能进行整体回火时，可以采取局部回火法，就是将焊接应力大的地方及周围加热到回火温度，然后缓慢地冷却。 但这样做只能降低应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到局部消除焊接应力的方法。 6.船体焊接变形的矫正船体建造过程中，虽然在船体结构设计和施工工艺上采取措施来控制施工中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和船体施工工艺的复杂性，一般来讲，产生焊接变形是不可避免的，对出现的超过设计要求的焊接变形必须进行矫正。 矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形，弯曲变形，波浪变形等等，对于船体结构的整体变形如纵向和横向收缩(总尺寸缩短)只能通过下料或装配时预放余量来补偿。 矫正变形的方法有两种，即机械矫正法和火焰矫正法。 6.1机械矫正机械矫正法是在室温条件下，对焊接构件施加外力，使构件压缩塑性变形区的金属伸展，减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的。 机械矫正变形法容易引起金属冷作硬化，消耗材料一定数量的塑性储备，因此，只能用于塑性良好的材料，不允许对塑性较差或脆性材料进行机械矫正。 实际生产中，机械矫正法矫正过程中可以使用专用的大型油压机、水压机、顶床或人工利用大锤矫正。 6.2火焰矫正焰矫正是一门较难操作的工艺，方法掌握、温度控制不当会造成构件新的更大变形。 因此，火焰矫正要有丰富的实践经验。 火焰矫正法是通过对变形构件伸长部分金属进行有规则的火焰集中加热。 冷却后，焊接构件这部分金属获得不可逆的压缩塑性变形，使整个焊接构件变形得到矫正。 火焰加热方式有三种，即点状加热、线状加热和三角形加热。 6.2.1点状加热根据结构特点和变形情况，可以一点或多点加热。 多点加热常用梅花式，如图6-2-1所示。 厚板加热加热直径d要大些，薄板要小一些，一般不小于15mm。 变形量越大，点与点之间的距离a应小些，一般在50-100mm之间，点的距离在100mm左右加热时，由变形最小处开始，顺次向变形大处移动，第二次加热需待第一次后冷却后进行。 图6-2-1点状加热6.2.2线状加热火焰沿直线方向移动，或同时沿宽度方向摆动，从而形成带状加热的现象，如图6-2-2所示。 线状加热时，横向收缩一般大于纵向收缩，因此应尽量发挥横向收缩的作用。 在一般范围内，横向收缩随加热宽度的增加而增加，加热线宽度一般为1.5-30mm。 此法适用于各种结构变形的矫正，尤其以矫正板架变形（如“瘦马”变形、波浪边形）的效果最佳，且多用于“背烧法”（即在骨架背面加热）。 加热时，可先直接施于骨架背面（单线法），也可施于骨架背面的两侧（双线法），待主要变形消除后，再在局部不平处补加线状加热。 图6-2-2线状加热6.2.3三角形加热三角形的底边在钢板边缘，顶角朝内，如图6-2-3所示三角形加热面积较大，所以收缩量也大，多用于矫正T形构件、工型钢以及其他型材的弯曲变形，也可用于矫正分段自由边缘的变形。 三角形加热时，加热区应施于弯曲凸起的一边，由两端向中间进行。 加热要充分，保证使整个厚度透烧，以免造成平面内的弯曲。 三角形加热起始点，应自尖角处开始，第二次加热需待第一次冷却后进行。 如果矫正较大的变形，还可用锤击或兼施外加压力。 图6-2-3三角形加热进行火焰矫正用以上几种方法的同时还应注意以下几点 （1）矫正前了解结构材质及其特点。 若矫正后会一起材料的力学性能显著下降，则不能用火焰矫正；淬硬倾向较大的材料不能用水冷，不同性质的材料，其允许最高加热温度差应严加控制。 （2）加热用火焰，一般采用中性焰，如要求加热深度浅，也可采用氧化焰。 （3）矫正前应根据结构变形情况，认真考虑加热位置和矫正步骤。 （4）矫正薄板变形，如需锤击，应使用木槌。 （5）矫正时，可根据下道工序的情况考虑矫正的要求。 结论近年来，我国的造船工业有了很大的发展，自1994年成为第三大造船国，xx年成为第二大造船国，与韩国和日本产量相当，从材料的制造技术和发展方向上看，我国现化焊接技术已有很大发展,部分产品技术已达到或接近国外先进水平，今年我国现代焊接技术将继续向着高效、节能、机电一体化和成套焊接设备以及规模生产方面发展。 质量是技术的前