船舶建造过程中变形的形成 控制与矫正(唐改)[3][1]

1、天 津 大 学（高等教育自学考试）本科生毕业设计（论文）任务书 天津大学 办学点 船舶与海洋工程 专 业 本科 班设计（论文）题目：船舶焊接变形的形成、控制与矫正完成期限：自 2010年 7月 1日 至 2010 年 12月 30 日 止指 导 教 师 唐友刚 办学点负责人 黄衍顺 批 准 日 期 学 生 胡东波 接受任务日期 2010.7.1 注：1. 本任务书一式两份，一份院或系留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“检查人签名”一栏和“指导教师批准日期”由教师用笔填写，其余各项均要求打印。一、设计（论文）原始依据（资料）船舶建造过程中的变形是一种常见现象，主要是由于船体结构在焊

2、接后产生的局部和整体变形所导致。如不及时采取有效措施，会造成尺寸偏差、结构失稳、强度降低等后果，给下一阶段的焊接和装配工作带来很大困难，不仅导致工期延长，甚至无法达到规范、标准规定的质量要求。二、设计（论文）内容和要求：（说明书、专题、绘图、试验结果等）（一）论文内容针对船舶焊接变形的普遍现象，本文提出了许多降低和消除焊接变形的方法，这些方法各有特点，但由于船体结构的尺寸较大、形状较复杂，因而不易采取单项措施进行处理，必须进行综合治理。据统计 ,现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例 ,焊接的质量和生产效率直接影响到船体的建造周期、成本和使用性能。对船体钢板比较薄的船舶来说

3、 ,焊接引起的变形更为严重 ,如不能很好地控制焊接变形 ,将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难 ,甚至达不到质量检验要求 ,施工中焊接变形的控制与矫正显得尤为重要。因此，研究焊接变形产生的原因，对焊接变形产生原因及其影响因素进行分析，针对船体构件建造过程中各个阶段的特点，采取正确的预防和控制措施，合理的对变形进行矫正，对缩短船舶建造周期，提高船舶建造质量具有重要意义。（二）写作要求1.数据可靠、推理严谨、理论正确；2.论述简明扼要、重点突出；3.层次清晰，语言流畅，符合科技文写作规范；4.杜绝错别字，字数符合要求。附：设 计 进 度 计 划 表序号起止日期计 划 完 成 内 容实 际

4、完 成 情 况检查日期检查人签名1查阅文献资料完成2完成任务书和开题报告完成3完成论文综述部分完成4完成论文理论和方法部分完成5完成论文应用案例分析部分完成6完成论文结论完成7修改完善论文准备答辩完成8指导教师批准，并签名： 年 月 日天津大学高等教育自学考试本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称船舶焊接变形的形成、控制与矫正学院名称天津大学建工学院专业名称船舶与海洋工程学生姓名胡东波指导教师唐友刚（内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。）一、课题的来源及意义本文主要论述焊

5、接变形的形成、控制和矫正，在船体建造过程中，大量焊接构件的变形不利于船体制造精度的控制，从而影响到船舶建造的质量。为此，通过对船体焊接过程中构件焊接变形产生的原因以及影响焊接变形的各种因素进行综合分析，并考虑到船体构件建造过程中各个阶段的特点，总结出了船体建造不同阶段减少船舶焊接变形的结构设计措施和建造工艺措施，从而达到满足船舶强度、使用性和经济性要求。二、国内发展状况在我国，从50年代中期开始，焊接造船逐步取代了铆接造船。60到70年代初，开发应用了双丝埋弧焊、垂直气电焊、耐磨及耐腐蚀合金堆焊、各种衬垫单面焊双面成型等高校焊接工艺，水下焊接技术开始发展，造船的材料从低碳钢发展到低合金高强钢，

6、且建造的船舶趋向大型化。70年代末，我国造船业不但能满足国内市场的基本需要，而且焊接质量均符合相关船籍社的要求，80年代，世界造船业普遍萧条，而我国造船业确实一片繁荣。为了适应多造船、快造船的需要，1983年中国船舶工业总公司大力研发和推广应用高校焊接技术，重力焊、低角度弹力焊、CO2气体保护焊、下行焊与高效铁粉焊、单面焊双面成型等方法得到广泛应用。90年代以来，焊接材料不断涌现，焊接设备向多功能、多用途、逆变化、智能化发展。可以预计，随着计算机、微电子、信息传感以及机器人等技术领域的发展，我国的造船技术将会进入国际先进行列。三、本课题研究内容、研究方法、研究手段、研究目标1.研究目标船舶焊接

7、变形的形成，如何控制和矫正2.研究内容解决船舶焊接所产生的变形如何得到综合的控制、矫正，以达到提高船舶建造质量，缩短船舶建造周期的目的。3.研究方法本文详细介绍了船舶建造中正确的焊接结构设计、合理的装配焊接工艺、反变形措施、刚性固定法约束控制，提出了在采取控制变形措施后仍无法消除船体件的焊接变形时，可采用的矫正变形的基本方法。4.研究手段根据现场测量及相关工艺，运用CAD等相关技术，灵活掌握参考文献以及各类资料所论述的内容，进行相关问题的总结分析。指导教师、课题组和本人工作办公室具有该方面的图纸和数据，有高级技工的悉心指导，包括原始资料和目前有关焊接状况的相关资料和技术文件，为本次毕业设计奠定

8、了良好基础。四、进度安排2010.7.12010.9.1 查阅文献资料2010.9.3 完成任务书和开题报告2010.9.152010.10.1完成论文综述部分2010.10.12010.10.30完成论文理论和方法部分2010.11.12010.11.30完成论文应用案例分析部分2010.12.112.5完成论文结论2010.12.512.20修改完善论文准备答辩2010.12.30论文答辩五、参考文献1 叶家玮，现代造船技术概论M，广州，华南理工大学出版社，20012 陈冰泉，船舶及海洋工程结构焊接M，北京，人民交通出版社，200l3 李亚江，特殊及难焊材料的焊接M，北京，化学工业出版社，

9、20034 孙维善，船舶焊接M，北京，国防工业出版社，19925 王承权，船体结构的焊接变形M，北京，国防工业出版社，19786 王鸿斌，船舶焊接工艺，人民交通出版社，20027 邓洪军，船舶焊接工艺，人民日报出版社，20058 田锡唐，焊接结构，北京，机械工业出版社，19969 邓洪军，焊接结构生产，北京，机械工业出版社，200310 陈祝年，焊接工程师手册，北京，机械工业出版社，200211 英若采，焊接生产基础，北京，机械工业出版社，199612 赵熹华，焊接检验，北京，机械工业出版社，199213 寇雄，船舶焊接变形的形成于控制，辽宁工程技术大学学报，200514 陆伟东，船舶建造工艺

10、M，上海，上海交通大学出版社，199115 陈楚，船舶焊接变形M，北京，国防工业出版社，1985摘 要在船体建造过程中，大量焊接结构的变形不利于船体制造精度的控制，从而影响到船舶建造的质量。为此，通过对船体焊接过程中构件焊接变形产生的原因以及影响焊接变形的各种因素进行综合分析，并考虑到船体构件建造过程中各个阶段的特点，总结出了船体建造不同阶段减少船舶焊接变形的结构设计措施和建造工艺措施，从而达到满足船舶强度、使用性和经济性要求。关键词：船体建造；焊接变形；控制；矫正ABSTRACTDuring the process of shipbuilding ,deformation of plenti

11、ful welding components makes against precision control of ship construction ,which affects the quality of ship construction .By general analysis of the reasons of causing and affecting ship-hull welding deformation in the process of ship-welding, various methods provided for reducing ship-hull weldi

12、ng deformation in the different phases of shipbuilding is summarized in order to satisfy the requirements of ship intensity and working performance and economy performance also. Keywords：ship construction; welding deformation; control; rectify目 录第一章 绪论101.1焊接变形的原理和变形种类101.2船体焊接应力与变形产生的原因12第二章 影响船体焊接

13、变形的因素152.1影响船体焊接变形的因素15焊缝截面积的影响15焊接热输入的影响15焊接方法的影响15接头形式的影响15焊接层数的影响15第三章 残余应力173.1焊接残余应力的分类173.2焊接残余应力对焊接结构的影响173.3减小焊接残余应力的措施183.4焊后消除焊接残余应力的方法19第四章 焊接变形的控制措施和矫正234.1焊接变形的控制措施23第五章 总结31参考文献 32致谢33第一章 绪论在船体建造过程中，大量焊接构件的变形不利于船体制造精度的控制，从而影响到船舶建造的质量。为此，通过对船体焊接过程中构件焊接变形产生的原因以及影响焊接变形的各种因素进行综合分析，并考虑到船体构件

14、建造过程中各个阶段的特点，总结出了船体建造不同阶段减少船舶焊接变形的结构设计措施和建造工艺措施，从而达到满足船舶强度、使用性和经济性要求。本文叙述了焊接变形的原理和变形种类，详细介绍了船舶建造中正确的焊接结构设计、合理的装配焊接工艺、反变形措施、刚性固定法约束控制，提出了在采取控制变形措施后仍无法消除船体件的焊接变形时，可采用的矫正变形的基本方法，从而达到提高船舶建造质量，缩短船舶建造周期的目的。1.1 焊接变形的原理和变形种类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韵刚性条件，在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形。凡是与焊接热变形和构件刚性有

15、关的各种因素，都会对焊接残余变形产生影响。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1。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很多，试图完全消除焊接变形是不可能的，只有根据焊接变形的基本原理及影响焊接变形的主要因素，采取相应的调节措施，以达到预防和控制焊接变形的目的。船体变形可大致分为总体变形(中垂、中拱、总尺寸缩短)和构件局部变形两种。总体变形是整个船体的尺寸或形状发生的变化，包括纵向和横向的收缩变形、弯曲变形和扭转变形等，其中纵向变形对船舶施工和性

16、能的影响较大，主要表现在艏艉部上翘，这种现象在整体建造中尤为明显。按照CBT 40002005中国造船质量标准要求，艉上翘变形应在20mm以内，艏上翘应在30mm以内2。总尺寸缩短是由于结构焊接时，受热部分的金属在受热膨胀，然后冷却收缩过程中，形成不可逆转的塑性变形，产生焊缝周围的长度缩短，导致总尺寸减少。通常在10m长度内的收缩量为1020mm左右。局部变形包括角变形、弯曲变形、波浪变形、失稳变形、错边变形等，表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移，焊缝位置与构件截面中性轴不对称，焊后构件成波浪形，焊件长度或厚度方向上的错边等3。角变形、弯曲变形、纵向和横向的收缩变形、波浪变形、扭曲变形分别

17、如图1.1、图1.2、图1.3、图1.4、图1.5所示。 图1.1 角变形 图1.2 弯曲变形 图1.3纵向和横向的收缩变形图1.4波浪变形 图1.5扭曲变形1）角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角变形，常见的角变形如图1所示。主要由于焊缝截面形状不对称，或施焊层次不合理致使焊缝在厚度方向上横向收缩量不一致所产生的。2）弯曲变形：构件焊后发生弯曲，如图1.2所示。弯曲变形是由焊缝的纵向收缩引起和由焊缝横向收缩引起的。这种焊接变形是由于结构上的焊缝不对称或焊件断面形状不对称，焊缝的纵向收缩和横向收缩而产生的变形。3）波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图4所示。这种变形在图薄焊接时容易发生。产生原因

18、是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在拘束较小结构部位造成较大的压应力而引起的变形；或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形；或由上述两种原因共同作用而产生的变形。4）扭曲变形：焊后沿构件的长度出现螺旋形变形，如图5所示。这种变形是由于装配不良，施焊程序不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律而引起的变形。以上几种类型的变形，在焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现，互相影响。焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。比较复杂的变形，矫正的工作量比焊接工作量还要大。如果矫正不当，会造成废品。焊接变形不但影响结构尺寸的准确和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起

19、事故。5）纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩，如图1.2中的。焊接结构焊后出现的收缩变形是难以修复的，必须在构件下料时加余量。6）横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图1.2中的。同样焊后出现这种收缩变形是难以修复的，应在构件下料时加余量。1.2 船体焊接应力与变形产生的原因影响焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致4。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，几个主要因素如下：1、焊件的不均匀受热焊件的焊接是一个局部的加热过程，焊

20、件上的温度分布极不均匀，是产生焊接应力与变形的主要原因。通常情况下，焊接构件的应力与变形的产生遵循如下原则：1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然会有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余应力大。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后，焊缝及附近区域的残余应力通常是

21、拉应力2、焊缝金属的收缩焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同事在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。3、 金属组织的变化钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会造成焊接应力与变形。4、 焊接的刚性和拘束焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力；而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有

22、关；而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形小，焊接应力越大；反之，焊件自身 刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。船舶工程结构件主要是由冷、热轧钢板、型钢及它们的成形件装焊而成，从结构件制造工艺来看，造成船体结构件变形的原因，主要来自三个方面：即焊接热应力、残余应力和外力。焊接热应力变形是指在工件焊接过程中，由于对金属材料不均匀的加热和冷却而产生的。焊接时，加热的热源是移动的高温电弧，焊缝和热影响区金属温度很高，金属受热膨胀，但又受到常温金属的阻碍和抑制，便产生了压缩塑性变形。结构件的焊接变形程度与施焊时热源的输入能量成正比。残余应力主要为焊

23、接残余应力和成形加工残余应力。当工件某一部位施焊结束后，其焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受到常温金属的限制，这时便产生了焊接残余应力5。成形加工残余应力主要是因为工件受工艺性外力而引起的，如工件自由弯曲成形时不得法；钢板校平辗压次数少等等都能引起成形加工残余应力。外力引起的变形主要指组装、焊接过程中由磕、碰、摔、撞或过载引起的异常变形。第二章 影响船体焊接变形的因素2.1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6。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

24、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。2.1.1焊缝截面积的影响焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大7。2.1.2焊接热输入的影响一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。2.1.3焊接方法的影响多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢

25、结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。2.1.4接头形式的影响在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)

26、焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大8。双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。2.1.5焊接层数的影响1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多

27、，而且焊的层数越多，纵向变形越小。第三章 残余应力3.1焊接残余应力的分类1、按应力在焊件内的空间位置分有：（1）一维空间应力 即单向（或单轴）应力。应力沿焊件一个方向作用；（2）二维空间应力 即双向（或双轴）应力。应力在一个平面内不同方向上作用。常用角坐标表示。（3）三维空间应力 即三向（或三轴）应力。应力在空间所有方向上作用，常用三维空间直角坐标表示。厚板焊接时出现的焊接应力是三向的。随着板厚减小，沿厚板方向的应力相对较小，可将其忽略而看成双向应力。薄长板条对接焊时，也因垂直焊缝方向的应力较小而忽略，主要考虑平行焊缝轴线方向的纵向应力9。2、按产生应力的原因分有：（1）热应力 它是在焊接过

28、程中，焊件内部温度有差异引起的应力，故又称温差应力。它随着温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的力学原因之一。（2）相变应力 它是焊接过程中，局部金属发生相变，其比容增大或减小而引起的应力。（3）塑性变形 是指金属局部发生拉伸或压缩性变形后所引起的内应力。对金属进行剪切、弯曲、切削、冲压、锻造等冷热加工时常产生这种内应力。焊接过程中，在近缝高温区的金属热胀和冷缩受阻时便产生这种塑性变形，从而引起焊接的内应力。3、按应力存在的时间分有:(1)焊接瞬时应力 是指在灶接过程中，某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。它和焊接热应力没有本质区别，当温差也随时间而变时，热应力也是瞬时应力。（2）焊接残余应力

29、是焊完冷却后残留在焊件内的应力，残余应力对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。3.2焊接残余应力对焊接结构的影响1、对结构强度的影响 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是，当材料处在脆性状态时，则拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。曾有许多低碳钢和低合金钢的焊接结构发生过低应力脆断事故，经大量研究表明：在工作温度低于材料的脆性临界温度的条件下，拉伸内应力和严重应力集中的共同作用，将降低结构的静载强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发生脆性断裂。因此，焊接残应力的

30、存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。2、对构件加工尺寸精度的影响 焊件上的内应力在机械加工时，因一部分金属从焊件上被切除而破坏了它然来的平衡状态，于是内应力重新分布以达到新的平衡，同时产生了变形，于是加工精度受到影响。3、对受压杆件稳定性的影响 压杆内应力对稳定性影响的大小与压杆的截面积形状和内应力分布有关，若能使有效截面远离压杆的中性轴，可以改善其稳定性。 焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及对结构稳定性的影响外，还对结构的刚度、疲劳强度及应力腐蚀开裂有不同程度的影响。因此，为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要的结构，焊后还必须采

31、取措施消除焊接残余应力。3.3减小焊接残余应力的措施 减小焊接残余应力，即在焊接结构制造过程中采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般来说，可以从设计和工艺两方面着手，设计焊接结构时，在不影响结构使用性能的前提下，应尽量考虑采用能减小和改善焊接应力的设计方案；另外，在制造过程中还要采取一些必要的工艺措施，以使焊接应力减小到最低程度。 1、设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大，使引起残余应力与变形的压缩性变形区或变量增大。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且出现双向或三

32、向复杂的应力状态。采用刚性较小的接头形式。2、工艺措施（1）采用合理的装配焊接顺序和方向 所谓合理的装配焊接顺序就是能使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序。具体应注意一下几点： a.在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。 b.收缩量最大的焊缝应先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。（2） 预热法是在施焊前，预先将焊件或整体加热到15016010。对于焊接或焊补那淬硬倾向较大的材料的焊件，以及刚性较大或脆性才来哦焊件时，常常采用预热法。（3） 冷焊法 冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其它部位间的温度差。具体做法有：尽量采用小的热输入施焊

33、，选用小直径焊条，小电流、快速焊及多层多道焊。另外，应用冷焊法时，环境温度应尽可能高。（4） 减低焊缝的拘束度 平板上镶板的封闭焊缝焊接时拘束度大，焊后焊缝纵向和横向拉应力都较高，极易产生裂纹。为了降低残余应力，应设法减小该封闭焊缝的拘束度。（5） 加热“减应区”法 焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位“减应区”使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用。此法称为加热减应区法。 此法在铸铁补焊中应用最多，也最有效。方法成败的关键在于正确选择加热部位，选择的原则是：只加热阻碍焊接区膨胀或收缩的部位。检验加热部位是否确的方法是：用气焊炬在所选处试加热一下，若待焊处的缝隙是张开的，则表

34、示选择正确，否则不正确。 3.4焊后消除焊接残余应力的方法：由于焊接内应力的不利影响只有在一定的条件下才表现出来，虽然在结构设计时考虑了残余应力的问题，在工艺上也采取了一定的措施来防止或减小焊接残余应力，但由于焊接应力的复杂性，结构焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外，有些结构在装配过程中还可能产生新的残余内应力，这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。焊后是否需要消除残余应力，通常由设计部门根据钢材的性能、板厚结构的制造及使用条件等多种因素综合考虑后决定，例如，对常用的低碳钢及低合金结构钢来说，只有在工作温度低于某一临界值以及存在严重缺陷的情况下才有可能降低其静载强度，要保证

35、焊接结构不产生低应力脆性断裂，是可以从合理选材，改进焊接工艺，加强质量检查，避免严重缺陷来解决的。消除内应力仅是其中的一种方法。事实证明，许多焊接结构未经消除内应力的处理，也能安全运行，如起重机的主梁、端梁、小车架、铁路、公路的桥梁、船舶等。焊接结构是否需要消除内应力，必须根据构件具体情况、生产实践经验、科学实验和经济效果等方面综合考虑。1、钢的去应力退火这种方法是将整个焊接结构件吊放于退火炉中或回火炉中加热，对、结构钢，温度控制。去应力退保温时间要根据工件截面和装炉量定。通常钢的保温时间为，退火冷却速度应尽量小11。一般随炉温冷却。如果冷却速度低到室温时的冷却过程是不均匀的，就可能破坏原来热

36、处理的作用，并在焊件中造成新的残余应力。内应力消除的程度决定于钢材的种类、成分或者屈服强度。图6表明时间和温度对消除应力的影响。消除应力处理时焊件达到的温度对消除应力的影响，要比试件在该温度下持续时间的影响大得多。使用的加热和冷却循环适当时，消除应力处理的温度越接近临界温度或再结晶温度，消除应力的效果就越好。用消除应力热处理降低残余应力时必须考虑其他的一些重要性能。消除应力处理会影响显微组织、抗拉强度和冲击韧度。因此必须选择既能提高钢的性能，同时又尽可能地消除应力的合适的热处理温度。2、局部退火法 这种方法带有局部加热的性质，局部加热可用电阻、红外线、火焰和感应加热（对厚火件，可采用工频感应加

37、热）。消除应力的效果与温度分布有关，而温度分布又与加热范围有关。为了取得较好的降低应力效果，应该保证足够的加热宽度。消除应力的效果不如整体处理，它只能降低应力峰值，而不能完全消除应力。但局部处理可改善焊接接头的力学性能。这种方法只限于比较简单的焊接接头。对于复杂的焊接结构采用这种方法存在产生较大的反作用内应力，会产生不良的后果。3、低温消除应力法 这种方法原来是为了降低那些无法放在炉内的大型焊件的残余应力而发展的。在这种方法中将焊接接头两边金属加热到，而焊缝本身仍保持在较冷的状态12。平行于焊缝并紧靠着焊缝焊两边的金属受热带逐步前移，在母材中形成了移动的热膨胀区，并在焊缝中产生了相应的拉应力。

38、这一方法的原理是：两边受压区加热膨胀时，焊缝中的拉应力增加，超过了屈服应力；金属随后冷却和收缩时，焊缝中的应力就降到屈服点以下。图8低温消除应力法如果这一方法使用得正确，就可以部分地降低对接焊缝的纵向应力。很多人认为纵向焊接应力是最主要的，因为它们能够达到拉伸屈服强度。有一些人则怀疑低温消除应力的有效性，认为在受约束的板材中纵向和横向的残余应力都接近材料的屈服点。有报道说明，用这种方法不但可以使纵向应力明显降低，而且也可以使横向残余应力降低。这说明低温消除应力是使延性材料中的收缩应力显著降低的便宜方法。对于大多数材料来说，低温消除应力处理不会改善焊缝和热影响区的冶金性能，因此不能用这种处理方法

39、代替为了改善塑性和缺口韧性而进行的焊后处理。低温消除应力的操作温度正处在可能产生应变时效的温度区内，对中等强度的延性材料并没有不利的影响。低温消除应力法具体的做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧乙炔焰矩加热，在焰矩后面一定距离用一个带有排孔的水管喷头冷却。焰矩和喷水管以相同速度向前移动，如图8所示。这样就造成了一个两侧温度高（其峰值约为）、焊缝区温度低（约为）的温度场。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸。利用这种方法，如果规范选择恰当，可以取得较好的消除应力效果8。 图3.1 时间和温度对消除应力的影响 图3.2 管接头焊缝局部退火消除内应力的温度分布图3.3 低温消除应力法第四章 焊接

40、变形的控制措施和矫正4.1焊接变形的控制措施全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩

41、较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的 坡口尺(角度和间隙)。2)对屈服强度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热 或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。4)在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法

42、。5)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。6)T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。9)采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm0.7mm9。10)对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密

43、集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。13)减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。14)减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。15)采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。16)降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。17)

44、锤击法减小焊接残余应力：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。18)采用抛丸机除锈：通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。综上所述，在施工过程中，一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑的各种因素，可以保证工程中的焊接质量。1、施焊方法和焊接工

45、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。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

46、收缩量比角焊缝大。图9是自动焊对接焊缝横向收缩量与板厚关系。 图4.1 自动焊对接焊缝横向收缩量与板厚关系3、焊缝在结构中的位置焊缝位置对焊接变形的影响很大，如表1。凡焊缝位置对称于结构重心线的，则产生的变化变形比较简单，只有纵向和横向的缩短，而焊缝位置与结构重心线不对称时，除纵向与横向缩短外，还产生了弯曲变形。焊缝距构件或构件中和轴越远，焊接收缩力对中和轴的力矩越大，焊接的弯曲变形也越大。所以布置在中和轴上或尽量靠近中和轴，以减少弯曲变形。4、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

47、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。如图10所示工字梁装焊过程，按图10(b)方式边装边焊，则焊后产生的弯曲变形较大，而按图10(c)装配完成后再焊接产生的弯曲变形较小。对于复杂结构而言，全部构件装配后再焊接方式，往往不合理。有两个原因：边装配边焊接方式所产生的变形不一定都反映到总变形量；有些零部件因施工上的需要，只能采用边装配边焊接的方式。 图4.2 工字梁不同装焊次序对弯曲的变形的影响5、焊接变形的预防与控制 由于焊接变形有可能造成的严重后果，我们在船舶建造过程中必须做好对船体变形的控制，尽量减少变形，预防超标准的变形情况出现。

48、目前在实际生产中，主要应用以下四种办法控制变形。（1）正确的焊接结构设计 正确的焊接结构设计是控制焊接变形与应力最主要的方法之一，正确的设计能够有效的减少焊接变形。根据前人的总结和作者的经验认为，焊缝设计原则至少应包括以下几点：选用对称截面的结构，尽可能使焊缝对称于截面中性轴，避免焊接后产生扭曲或较大弯曲变形；在保证结构承载能力条件下，综合施工工艺的可能性，尽可能选取小的焊缝尺寸；尽可能减少焊缝数量，优先考虑型钢代替钢板，想方设法提高钢材的利用率；设计薄板结构时，应校核和提高构件的稳定性，防止波浪变形。减少波浪变形的措施：）目前国内外生产钢结构普遍要进行钢材预处理，即板材在下料投产前，要先喷丸

49、除锈，然后在平板矫正机上平制，使板料原有的波浪变形减小。）板件固定焊接。所谓板件固定焊接，即板件放在平台上，用压板固定式或在焊接热影响区加重物，使板件贴紧在平台上。焊接时，由于板件受夹持物的约束而限制了角变形的产生，从而减少波浪变形。）对接腹板、盖板要采取焊缝平制措施。如腹板的板料宽度不够，板件要进行拼接，焊后要在平板矫正机上再次平制，以消除凸曲变形。）设计时对板件厚度的考虑。焊接压应力和角焊缝产生的角变形是焊接过程中出现波浪变形的主要原因，抗波浪变形的能力，对于前者与板厚的平方成正比，对于后者与板厚的三次方成正比。设计时确定板厚，除考虑强度、刚度、稳定和抗腐蚀条件外，也应考虑避免板件出现波浪

50、变形的工艺条件。）加焊工艺角钢或工艺扁钢。通常梁和柱的腹板、盖板的中部压应力较大，容易产生波浪变形，因此工艺角钢或工艺扁钢应焊在中部，以增加腹板和盖板本身的刚度。通用桥式起重机箱形主梁加焊工艺角钢可采用××××，扁钢厚度为，宽度为较合适。为了不影响梁的整体焊接变形，工艺角钢和工艺扁钢应在腹板、盖板组装成梁前在平台上定位焊后，采取较大间断段的间断焊。）从设计角度上，应在保证强度的条件下，尽量减小焊脚尺寸。减小焊脚尺寸可减小波浪变形。合理减小焊接电流，加大焊接速度都能减小波浪变形。）钢板拼接时，对接口头坡口尽量采用形，两面对称焊接使角变形减小。如板厚较小可开

51、单面坡口，焊完一面焊缝后，另一面可用碳弧气刨清根，使焊后变形小一些。（2）合理的装配焊接工艺合理的装配焊接法是另外一种控制总体和结构变形的重要方法。船体装配应尽可能地在无装配应力强制下进行。若装配应力过大，则有可能在未焊 接时即产生波浪变形或挠曲。对薄板构件的焊接装配尤其需要注意。焊接电流、焊接速度、焊接方向、焊接顺序、焊接方法等都会对结构变形产生影响。针对不同的板材及焊接方法，可选取不同的焊接电流与焊接速度，但焊接顺序和焊接方向一般来说具有一定的原则性，且对整个船体的变形影响显著。整体造船的常规焊接工艺程序是：先焊好骨架问的连接焊，焊好壳板间的横向焊缝、纵向焊缝，焊好骨架结构与壳板间的连接角

52、焊。也有将壳板间纵向焊缝放到最后进行焊接的，这样可以减少船体纵向变形量，但增加了施工难度，对船厂施工工艺的要求较高。全船焊缝均应由船中往两侧、由舯往艏艉、由下往上焊接，以减少焊接变形，消除焊接应力，保证建造质量。此外，应尽量采用线能量较低的焊接方法，用多层焊代替单层焊，也可显著地减少焊接变形。（3）反变形措施 反变形措施也称为变形补偿控制，主要针对船体总尺寸的收缩变形及中垂(或中拱)进行变形量的弥补。目前主要采取的措施是在线型放样中及胎架上施放反变形量。根据经验，一般来说可在纵向每档肋距加放1mm的焊接收缩量，横向每档肋距加放05mm的焊接收缩量，可较好的抵消总尺寸的缩短；在每档肋距施放1mm

53、高度反变形，可较好地抵消船体中垂(或中拱)变形。这两种反变形措施都具有良好的补偿效果。（4）刚性固定法约束控制 刚性固定法是将构件固定在具有足够刚性平台或胎架上，待构件上所有焊缝冷却后再去掉刚性固定的方法，一般在无反变形的情况实施，多应用于各种船体构件的施焊过程。采取这种措施可使构件的变形远小于自由状态下焊接所产生的变形，特别用来防止角变形和波浪变形效果明显。6、结构设计方面 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。若能充分注意焊接特点进行船体设计，则可大大减小焊接变形。 (1)采用船体分段建造法，可以大大减少船台焊工作量，同时

54、使船体总焊接变形得到控制： (2)焊缝应尽量保持对称性，或者靠近结构的中心线，防止弯曲变形； (3)在保证结构强度的前提下，减少焊缝的截面尺寸，以减少收缩变形；(4)尽可能减少焊缝数量；(5)在装配焊时，采用简单装配焊接胎卡具。7、建造工艺方面在施工工艺方面，应做到：(1)在无装配应力强制下进行船体装配；(2)采用自动埋弧焊和其他气体保护焊工艺；(3)合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。焊接方法对焊接变形的影响随着科学技术的进步，焊接方法不断创新。电弧焊焊接不均匀加热引起的焊残余变形也有所不同。常用的焊条电弧焊焊接变形比现在采用的二氧化碳（） 气体保护焊和富氩混和气体保护焊（，）变形大。尤其近代研究出的特种焊接方法，如电阻焊（点焊、缝焊）、钨极氩弧焊、电子束焊、超声波焊、钎焊（软钎焊、硬钎焊）和压力凸焊等，焊接残余变形都小。但各特种焊接方法各有其特点，一般设备贵重、生产成本高，通常适用于薄板焊接不锈钢、有色金属和各种稀有金属的焊接。由于一般焊条电弧焊埋弧焊、二氧化碳（）气体保焊和富氩混合气体保护焊（，）设备较便宜、生产成本低、接头强度高、生产效率高，虽有焊接变形的缺点，但焊接变形可以控制和校正。因此这几种电弧焊接方法，对低碳钢和低合金钢的薄板结构仍然广泛的应用。焊接热过程