船舶分段建造中焊接

1、船舶分段建造中焊接变形方法的研究项目负责人：姚添项目参与者：牟站江 王凯 贾忠宝 王涛项目类别：D 项目金额：500哈尔滨工程大学船舶工程学院080114班摘要：船体分段建造中的焊接变形是船舶建造过程中的重点和难点。焊接变形问题一直都是造船界较为棘手的问题，解决这一问题对船舶建造的意义非常重大。在现代造船模式中，主要通过采取反变形法、刚性固定法、改进装焊工艺、制定并严格遵守工艺规程、掌握正确的焊接规范等来预防船舶分段建造中的焊接变形，并且取得了良好的效果。0 引言 造船从铆接过渡到焊接，使造船工业飞速发展，带来了以下的利益： 简化船体结构（消除搭接接头及各种形式的垫板、楔、铆、钉等等）； 在保

2、证必要强度的条件下，减轻船体重量，平均达20； 由于工艺简化、制造过程自动化以及消除像折边、落样、钻孔和扩孔、打铆钉、捻缝等类工序，而降低船体造价； 用分段和总段建造法在封闭的温暖车间里装配船体的分段与总段； 大部分工作转移到车间从而缩短了船台建造周期。但是，焊接工艺过程也有一些缺点，其中主要的是结构的变形，即在焊接过程中结构的尺寸和形状发生改变。焊接变形使船体装配和焊接大大复杂化。在零件加工、部件装配、分段装配、总段装配和船体合拢等过程都要预留余量，在对应的装配工艺前进行切割，保证船体结构的精度。由于船体是三维结构，预留余量只能提高某个方向的精度，无法控制另外两个方向的精度。此外，对于舰船产

3、品，纵骨和内、外板交错布置，修整工作难度较大。为了减少或消除焊接变形，焊接矫正成为控制焊接变形的常用手段，但它们显著提高了制造成本。据美国海军估计，在某型舰船建造过程中，用于焊接变形控制的费用高达340万美元。焊接船的建造经验表明，部件和分段在焊接的过程中发生的变形使船体装配和焊接大大复杂化了。在合拢变形了的分段时，大量的时间花费在修整和铲割工作上。甚至，以焊接代替铆接获得的整个经济效果，被矫正焊接结构的耗费所抵消了。这里要强调的是，校正立体分段（船底分段）特别困难。有时船体分段（船底分段、上层建筑分段等）的变形达到了某种程度，以致无法校正，从而使已制成的结构报废。综上所述 ，研究船舶分段建造

4、中焊接变形问题已成为造船界必须面对的棘手问题，即便是现代造船技术已较为成熟，但如何更加精确的计算出焊接变形和控制焊接变形仍然是造出更加优良舰船的重要组成部分。1、 研究的目的与意义结构经焊接后的变形若超过允许范围，将会影响结构的承载能力，特别是对船舶这样复杂的板壳结构，很容易产生变形。过大的变形影响船型美观，降低船体结构强度，甚至会增加航行阻力，影响船舶的航行性能等。因此 ，在船舶的建造过程中，必须对焊接变形严加控制。所以，研究船体分段建造中的焊接变形问题将会对人们带来巨大的利益。由于焊接变形的产生对船舶建造造成了一个严重的问题，分段建造中的焊接变形的产生一直以来也都对造船界是一个棘手的问题，

5、通过何种方法来控制船舶分段建造中的焊接变形的产生对于建造更优质的船舶将起着至关重要的作用。所以，本报告的目的是寻找并总结控制船舶分段建造中焊接变形产生的方法，以达到在船舶建造中控制船舶分段建造中焊接变形产生或尽量减小焊接变形中产生的形变。通过对船舶在建造中变形控制方法的研究，有助于减少在船舶建造时产生的各种变形，防止或减小由于变形带来的不利影响，使船舶的尺度尽量与设计的尺度相一致，消除或降低焊接变形对尺度的影响，提高船舶的质量，促使船舶的性能更加优越。并且，找到控制船舶分段建造中焊接变形的方法，还有助于节省大量的时间，大大的缩短造船周期，节省大量的人力物力，降低造船成本，以达到最大的经济利益。

6、这些是因为如果不能控制好船舶在分段建造中的焊接变形，将会使各分段都产生较大的有焊接引起的形变，在合拢已变形了的分段的过程中，将会花费大量的时间在修整和铲割工作上。甚至，以焊接代替铆接获得的整个经济效果，被矫正焊接结构的耗费所抵消了。这里要强调的是，校正立体分段（船底分段）特别困难。有时船体分段（船底分段、上层建筑分段等）的变形达到了某种程度，以致无法校正，从而使已制成的结构报废。这就造成了很大的浪费，因此，研究船舶分段建造中焊接变形方法具有很重要的意义。2、 国内外同类问题的研究现状与发展动态国外焊接变形控制研究发展现状及发展动态：20世纪30年代以来，许多苏联学者就开始了焊接变形计算与控制的

7、研究。奥凯尔勃洛姆教授在论文和焊接变形课程讲义的基础上，于1948年撰写了专著焊接变形与应力，开展了焊接变形与应力同生产因素和设计结构因素关系的系统研究，提出了防止翘曲和残余应力的方法。1952年，巴普苏也夫针对平面分段、半立体分段和立体分段的各种变形，结合各造船厂的实际经验，提出了防止及减少焊接变形的施工方法，具有较高的工程应用价值。CA库兹米诺研究了典型船体结构总变形和局部变形的计算方法，提出了减小和补偿焊接变形以及矫正主船体结构的解决方案。Greene和Holzbaur开展了降低焊接残余应力和变形的研究，目前降低残余应力和焊接变形的技术大多数由他们制定的法则演变而来。Barber等通过对

8、焊道进行强制冷却来降低焊接残余应力和变形。法国的国际焊接研究所IIW对“焊接结构中残余应力和变形预测RSDP”开展了大量研究。1997年，成立了跨部门的x委员会(断裂)、X HI委员会(疲劳)和XV委员会(结构设计)。RSDP的总体目标是制定预测和确定焊接残余应力和变形的IIW规则。英国的BAE集团水面舰船公司与科研院所开展了长期的项目研究，目标是建立大型焊接结构的薄板在制造过程中焊接变形模型和板材弯曲变形相关的制造工艺模型。他们研究了不同制造工艺对薄板、接焊及角接焊的弯曲变形影响，如定位焊和点焊、焊接过程的夹具、冷却都会引起弯曲变形的显著变化。由于薄板在水面舰艇和潜艇中都具有广泛的应用，其研

9、究成果大幅度地提高了舰船产品的质量。日本学者在20世纪50年代就开始了焊接变形研究。70年代，Ueda等提出了固有应力和固有应变的概念，通过实验方法和弹塑性分析法来求得固有应变的分布，并通过弹性有限元方法计算复杂结构的焊接变形。在实际造船方面，2000年以来，日本船厂依靠极高的内场加工精度及先进的焊接工艺，实现了船台、船坞无余量合拢，且精度控制的成功率高达80一95。然而，焊接变形的预测和控制主要还是依靠船厂自己积累的测量数据和实际经验确定。美国海军和格罗曼·纽斯波特纽斯船厂联合资助了一个综合评估轻型薄板制造技术的研究项目。研究指出，2000年以后，平均每条舰船中超过90的钢板采用薄

10、钢板。薄钢板的焊接变形很严重，解决矫正变形的成本非常高。研究得到了一些成果：焊接局部弯曲变形是最重要的变形形式；T型加强构件合理设置将有利于防止焊接变形；厚度变化的复杂板底板的对接接头的过焊会造成严重的弯曲变形；优化装焊工艺可使弯曲变形最小；具有自动焊缝跟踪功能的精度角焊接工艺也避免过焊，从而大幅度地减小焊接弯曲变形。此外，美国对DD(X)多任务驱逐舰的焊接工艺进行了大量研究，钢板厚度大、强度高，焊缝完整性要求很高。美国海军开展了ManTeeh项目的研究，研制了一种机械焊接流程，取代手工电弧焊，使焊接变形大幅减小。总之，美国船体结构焊接变形的控制主要从优化焊接工艺、焊接方法，提高焊接自动化等方

11、式来实现，焊接变形的预测主要依靠实验和经验。德国汉堡技术大学的Fricke教授等开展了焊接变形的实验和仿真研究，针对某型潜艇的HY一80球形壳体的多道焊工艺过程进行了焊接变形仿真。从上面的研究进展可知，造船强国对焊接变形的预测和控制的研究已经取得了大量成果。由于焊接变形的机理尚未完全掌握，理论成果还远不能满足现代造船的需要。根据已有成果显示，苏联已将大量焊接变形的计算成果应用于造船，提出了许多减少和补偿焊接变形的结构和工艺措施，但其焊接方法和焊接自动化设备相对落后。日本以焊接自动化装备和先进焊接方法为主，理论预测的应用为辅来控制焊接精度。美国则采用焊接变形理论研究、先进焊接方法和焊接自动化并重

12、的策略，进行焊接变形预测和控制。国内焊接变形研究发展现状及发展动态： 上海交大的陈楚在吸收苏联学者研究成果的基础上，开展了船体焊接变形研究。汪建华对焊接变形预测开展了广泛研究。华中科技大学的陈传尧教授开展了薄板结构焊接变形的预测与控制研究。哈工程的宋竞正教授等应用周有应变法预测了船体分段的焊接变形。清华大学的鹿安理提出了移动热源方式、自适应有限元网络划分法及相似理论解决大型实际结构的焊接变形与应力的数值求解问题。在我国造船厂，焊接变形分析以经验和实测数据为主，理论计算为辅，预测船体结构的焊接变形，并采取结构和工艺措施，控制船体结构的焊接变形。江南造船厂的孙光二开展了5艘同型长江船舶的船体焊接变

13、形测量，着重介绍了双层底分段装焊和船台合拢过程的焊接变形测量、变形原因分析，采取了控制焊接变形的胎架反变形等工艺措施，建造质量显著提高，如第5艘与第1艘相比，首部上翘值为11，尾部上翘值为23。江南的研究成果对于控制船体焊接变形具有重要的价值，其他船厂在船舶建造过程中不断积累测量数据，发现各种船型在分段制作、船坞合拢等阶段的焊接变形规律，焊接变形的控制和理论研究提供基础，提高船舶产品的制造质量。以较准确地仿真整个焊接过程。台湾的Teng等应用热弹塑性有限元法分析了T型接头、对接接头的残余应力和角变形。英国Mollicone等对多种热弹塑性有限元模型进行了评价。热弹塑性有限元分析法尚未广泛应用于

14、船体焊接变形的预测和控制，有2个重要原因：其一，焊接材料性能是该方法面临的最大问题，特别是高温环境船舶产品采用的新材料的性能数据非常缺乏，导致计算结果存在相当大的不确定性；其二，热弹塑性有限元分析法的计算规模很大，目前还很难快速、经济地计算复杂船体结构的焊接变形。 综上可知，以后的船体建造焊接变形的研究方向主要是通过优化焊接工艺、焊接方法，提高焊接自动化等方式来控制焊接变形，控制焊接变形对造船工业的发展有着极其重要的意义。3、涉及焊接变形的一般计算问题在船舶建造阶段过程中，残余应力是不可避免产生的，它可有各个生产阶段中产生，如板料、棒料以及型材在轧制、铸造、锻造和焊接等过程中均可以产生残余应力

15、。而焊接残余应力是主要组成部分。金属是现代船舶建造中最主要的原材料。金属材料再均匀加热时将均匀膨胀，不产生热应力而在不均匀加热时产生热应力，当存在不均匀分布的非弹性应变（例如塑性应变）时也将产生残余应力。对于二维平面应力（）状态下的残余应力将存在下列基本关系：、应力与弹性应变之间存在胡克定律的关系、应力与弹性应变之间存在胡克定律的关系、总的应变满足相容条件图中简要表示了焊接时温度及应力的变化。图中表示了在平板上沿X轴堆敷单道焊缝时的情况。焊接电弧位于图中原点O处。椭圆表示金属熔化区，阴影线以外的区域在整个系统中保持弹性状态。A-A截面上，因焊接引起的应力几乎为零。B-B截面上的应力分布表示于如

16、下图中。因为熔化金属不能承受外载，所以位于焊接电弧瞎下面的区域中的应力接近于零。离开电弧一段距离处维压应力，这是因为这些区域的膨胀受到温度较低的周围金属约束的缘故。这些区域的温度相当高，所以材料的屈服应力很低。这些区域的应力与母材在相应的温度下屈服应力相等。随着离焊缝距离的增加或者随着温度的降低，压应力逐步达到极大值。在离焊缝更远的区域受着拉应力，它与焊缝附近区域压应力相平衡，因此，B-B截面上应力分布如下图所示。图中标明在C-C截面上焊缝金属和附近的母材已经冷却，并力图收缩，从而在接近焊缝中心的区域引起拉应力。随着离开焊缝的距离的增加，应力显示变为压应力，然后又变为拉应力。在D-D截面上临近

17、焊缝的区域产生了很高的拉应力，但是离焊缝较远的区域则为压应力。 从前面的讨论中可以得出结论：焊缝过程中的热应力是由复杂的机理引起的，它包括了从室温熔化温度的很快范围中的塑性变形。因为对塑性变形，尤其是对高温下的塑性变形的分析十分困难，所以目前只能对一些简单的情况进行数学分析。 船舶在航行中纵向会受到较大的弯矩。船底纵骨、内底纵骨等纵向构件会受到较大的拉应力。因此焊接结构在受到拉压过程中的稳定状况将关乎船的质量。焊接结构受拉时如果应力没有达到屈服点，则焊接结构的伸长党作用力有如下的关系：半条结构是船舶建造过程中的主要结构，肋骨、纵骨等都属于板条结构。因此在焊接过程中的变形将对船体变形有重大影响。

18、1.在长板条中心加热如图所示厚度为的长板条，在其中间沿长度上同时使用火焰均匀加热，则在板条横截面上将出现一个中间高两边低的不均匀温度场，而沿板条长度方向的温度分布可视为均匀的。分析板条的变形和应力，可从板条中取一段进行分析。假设这个金属板条是有若干互不相连的小窄条组成，则每根小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形，其结果使单位长度板条端面出现如下图所示的曲面。其自由变形率即单位长度上的自由变形量，用T来表示：式中当温度为时，其长度为，当温度由升至时如不阻碍，其长度由增长至，这段长度的改变就是自由变形，其大小为由于板条加热部位，即加热体受便捷框架制约，不能完全自由的变形，产生的压缩塑性变形量

19、用表示，其变形率：2在板条一侧加热长板条一侧同时应火焰均匀加热，则在长板条中产生对断面中心不对称的不均匀温度场，它将使板条产生变形和应力。位移的大小受内应力平衡和平面假设原则，此板条端面亦有一个位移。位移的大小受内应力必须平衡这一条件所制约。因而不是任何。他们只能产生两个符号相反，而不作用在同一直线上的力，这样就构成了不平衡力矩，因而是不可能的。形成了三个正负相同的应力区，只用在这种条件下应力才能平衡。在这种情况下，板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。板条沿长度上就出现了弯曲变形。如果已知温度T= f（x） 分布，则板条的应力与变形可用下式来表达，内应力平衡条件为由于截面转动，因此并非常

20、数，而是x的线性函数 代入上式联立得出，进而求出内应力的分布从中不难看出板条的伸长率板条的曲率焊接梁柱变形计算：挠曲变形量f按式计算：F=cL2/8c-曲率Z-构件截面形心到纵向焊缝的距离；J-构件截面惯性矩；q-焊接线能量，既由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量q=3369.6UK/其中-焊缝成形系数；U-电弧电压（V）；K-焊脚尺寸；-重叠系数，单位角焊缝为1，双面角焊缝为1.3；对接开口坡双面焊缝为1.3.，单面焊缝为1；-电弧热效率；-熔敷系数。3 焊接横向焊缝挠度曲变形计算当构件沿长度方向对称于构建的中心，焊若干横向焊缝时，其挠度曲线f可从每条焊缝引起的构件末端的变形综合来计算式中长

21、度为b的横向焊缝所引起的角位移（弧度），用下式计算：由上式可的横向焊缝引起的挠曲量为：令为横向焊接工艺系数，则代入上式得出焊接横向焊缝挠曲计算式：对不同的焊接方法和焊接规范r值不一样。焊接变形是船体变形的主要部分，因而焊接的变形的计算为重要，这里是只对其中一小部分进行分析。4、控制焊接变形的一般方法研究 焊接变形是焊接工艺的固有特点，分段在装焊过程中，不可避免地会产生纵横方向的翘曲及收缩变形。这些变形不仅影响船体外形的美观，也影响船体的性能和强度。从工艺角度看，分段的变形将给船体总装工作带来很大困难。因此，采取一定的措施，控制和减少分段变形，减轻火工矫正工作量和保持分段完工尺度的正确性就显得非

22、常重要。一般控制分段变形的措施有以下几种：掌握正确的焊接规范焊接规范与焊接变形有很大关系。所谓焊接规范，在手工电弧焊中主要是指焊接的电流强度、焊条直径与牌号、焊波层数、电弧电压、电流种类、焊接速度、直流电焊中的极性等方面的选择。一般来说，焊条直径小，采用焊接电流也小，即输入分段的热量较少，因而焊接变形也较小。焊件输入热量不仅取决于焊接规范，也取决于焊件的焊缝规格。必须指出，在焊接过程中应使焊缝规格符合设计要求。不适当的、过大的焊脚，不仅浪费了焊条，而且增加了焊接热量，扩大了热影响区域，加大了焊接变形。例如肋板与中桁材角焊缝设计要求焊脚高度为4 mm，实际却焊了7 mm，其焊缝截面积要比原来大3

23、倍，必然加大焊接变形。制定并严格遵守工艺规程采用合理的焊接程序能使焊接热量分布均匀，减少分段的变形。一般多采用从分段中间向前后左右同时施焊的方法，并且对长焊缝采取逐步退焊、跳跃焊等焊法。必须指出，还应合理地安排装配与焊接阶段的交替程序，分段结构应装配到具有足够的刚性后才开始施焊，对于容易产生总体变形的分段结构，这一点尤其重要。例如，底部分段不正确的焊接程序会导致热量集中，容易造成变形。正确的装配间隙与坡口角度装配间隙与焊缝坡口角度是影响焊接变形的主要因素，因为直接影响到金属熔敷量和焊接热量，从而决定分段变形量。正确地掌握它们，对减少分段变形有着极其重要的意义。反变形法 反变形法是根据结构焊后可

24、能产生的变形情况，预先把焊件人为地制成一个大小相等、方向相反的变形，使焊件焊后变形很小，甚至完全消除。反变形的大小一般有经验来确定，有的可通过计算来求得。反变形在焊接生产中应用很广泛，只要变形值给的合适，就能得到较满意的焊后形状。例如：底部、舷侧、甲板等分段在装配焊接后脱离胎架时，总有一定的变形。一般说来，在施工工艺条件相同的情况下是有一定规律的。因此，可以在胎架制造中，事先根据分段变形的趋势，将胎架模板放出一定数值方向相反大小相等的反变形量，用以补偿由于焊接所引起的变形，舷侧分段一般都不放反变形，而底部分段反变形量可以根据过去所制造的分段变形情况和经验判断来确定。一般采用压力机压出反变形，然

25、后进行焊接。刚性固定法刚性大的焊件焊后变形一般较小，所以对于控制焊接变形可采用刚性固定的方法。刚性固定法就是焊前将焊件固定，以增大其钢性，使其在焊接时不能自由移动，当焊完冷却后再放开来减小焊接变形。 当分段胎架型线复杂，不适于采用反变形法或由于其他情况而无法采用时，可采取临时增强分段刚性的方法，即将分段四周和中部用马板与胎架固定，以此来强制减少分段的焊接变形。对易于变形的结构部位，还可以采用临时加强装置。例如对于甲板较薄、宽度较大的长江旅游船，在骨架焊接前可在一定的肋距中加装临时宽梁及纵桁，以增加分段本身的刚性。又如制造底部分段时加装压排，双底分段端部加装假肋板等，都能起到临时增强分段刚性的作用。分段在吊运及翻身过程中，为了防止发生变形，也要结合上述情况采取临时加强措施。散热法散热法又称强迫冷却法。就是把焊件焊接处的热量迅速散失，是焊件迅速冷却，减小焊缝附近金属的受热区域，从而减小焊接变形。散热法有多种。有的将焊件浸在水中，让焊接处露出水面；也有用紫铜块贴紧焊件背面，增加热量的散失，但这种方法对淬火倾向性大的材料容易产生裂纹，故很少使用。改进装焊工艺广泛采用分离装配法、箱形框架装焊法，扩大自动焊与半自动焊的使用范围，可同时达到提高焊缝强度及减少变形的目的