造船焊接变形和反变形控制

造船中的焊接变形和反变形控制1.研究背景船舶工业是传统的劳动密集型装配制造业，焊接操作是其中主要的作业形式之一，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率,而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异,尺寸精度下降和承载能力降低,而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是船舶结构早期失效的主要原因,也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一[1]。焊接变形对现代造船技术的应用产生了障碍。由于焊接变形对船舶建造质量、成本和周期都具有重要影响，工业界一直对其非常重视，对焊接变形从实验和理论上进行了大量研究，希望能够对焊接过程进行有效预测和控制。反变形可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。2.背景内容针对造船中的焊接变形，国内外专家进行大量的研究。焊接过程是一个非平衡的、时变的、带有随机因素影响的物理化学过程，它涉及电弧物理、传质传热和力学等方面。至今对焊接过程变形的实时检测与监控仍是困难的，不仅需要特殊的方法，而且对设备的要求也很高。随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得焊接热加工过程的数值模拟应运而生，实践证明数值模拟对于研究焊接现象是一种非常有用的方法。2.1国外专家的预测和研究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研究。如C.A.库兹米诺夫[2]研究了典型船体结构总变形和局部变形的计算方法，提出了减少和补偿焊接变形以及矫正主船体结构的解决方案。Greene和Holzbaur[3]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技术大多数由他们制定的法则演变而来。法国的国际焊接研究所对“焊接结构中残余应力和变形预测RSDP”开展了大量研究。RSDP的总体目标是制定预测和确定焊接残余应力和变形的规则。英国的BAE集团水面舰船公司与科研院所[4-6]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的焊接变形模型和板材弯曲变形相关的制造工艺模型。由于薄板在水面舰艇和潜艇中都具有广泛的应用，其研究成果大幅度地提高了舰船的质量。日本学者在20世纪50年代就开始了焊接变形研究[7-8]。70年代，Ueda等提出了固有应力和固有应变的概念[9]，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%-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验经验确定。美国海军开展了ManTech项目的研究，研制了一种机械焊接流程，取代手工电弧焊，使焊接变形大幅减少。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式来实现、焊接变形的预测主要依靠经验和实验。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-80球形壳体的多道焊工艺过程进行焊接变形仿真。2.2国内专家的预测和研究上海交大的陈楚在吸收苏联学者研究成果的基础上，开展船体焊接变形研究。上海交大的李婧研究了固有应变预测法和3D板单元热弹塑性有限元法，其中固有应变预测法是一种相对快速且有效的预测大型复杂结构焊接变形的方法,同时能够获得有一定准确度的焊接残余应力和变形值,为反变形量(补偿量)的计算提供了有力工具,即将预测所得的有关数据供焊接工艺设计时选择参照,并确定实际生产时的预留变形量,以确保船舶结构的焊接精度和质量,其具有很大的实用价值和发展前景。固有应变预测法是建立在固有应变数据库的基础上的（数据库是准确预测焊接变形的前提）。3D板单元热弹塑性有限元法能在较短的时间内获得较高精度的结果,为预测大型复杂结构的焊接变形提供了一种新的思路和方法。[10]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[11]等应用固有应变预测了船体分段的焊接变形。清华大学的鹿安理[12]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。江南造船厂的孙光二[13]开展了5艘同型长江船舶的船体焊接变形测量，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船与第1艘相比，首部上翘值为11%，尾部上翘值为23%。3.关键问题船体焊接变形预测研究方法有实验法、热弹塑性有限元分析方法、固有应变法。船体结构焊接变形控制研究方法有焊接方法、控制焊接参数、控制焊接工艺方案、反变形法、控制温度场、矫正焊接结构、零件加工精度、系统综合分析。焊接变形是结构件焊接过程中普遍存在的问题,焊接过程中通过利用反变形方法来达到减小焊接变形的目的,从而解决了材料利用率低、加工余量大、生产效率低等问题，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。反变形法是根据实验或理论计算预测焊接变形的大小和方向，在焊接前对船体构件或胎架施加与焊接变形相反的预变形，以此抵消焊接变形。反变形存在的最大问题是焊接变形预测比较困难。由于该方法花费的额外成本很低，且控制焊接变形的效果可以非常好，随着焊接变形预测水平的提高将具有良好的发展前景。4.技术路线为了预测残余应力和残余变形，专家采用了热弹塑性法和残余塑变法。热弹塑性有限元法跟踪整个焊接过程，以给定的时间步长，计算出每一时刻的焊接温度场，以及每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量，逐步累计叠加，最终得到残余应力与应变。热弹塑性有限元法缺点是计算量太大和计算时间太长，因而对于一些大型焊接结构还难以完全实现。针对该问题，自适应网络技术备提出并已在Marc软件上得到了实现。计算时焊枪前沿和熔池局部的网络始终保持密网格，而焊后逐渐冷却的焊缝恢复呈稀疏网格。这大幅度地减少了计算时间，提高了计算效率，有利于大型结构焊接件焊接过程模拟。清华大学用自适应网络技术对平板焊缝进行有限元计算，得到的温度和位移分布与不使用该技术的通常三维移动热源计算得到的结果吻合的很好，残余应力分布趋势也相同，不过所得残余应力值存在不协调性[14]。该方法在大型结构件焊接变形中的进一步推广应用还需讨论。国内外残余塑变有限元法的研究主要分为两方面，其一是关于焊接变形机理和方法的研究，包括建立焊接残余塑变参数的关系数据库；其二是利用残余塑变有限元对大型结构进行焊接变形计算以及对一些结构的焊接残余应力进行逆运算。目前残余塑变有限元法在大型船体等焊接变形的预测中取得显著的成功[15]。如Murakawa等对窄间隙残余塑变和焊缝间隙的作用进行研究，提出特大型结构焊接变形简化计算法-一单元残余塑变有限元法基本理论。该方法通过较少的单元来描述如船体等特大结构的焊接变形，将残余塑变施加在壳单元上，在位移的的描述上引入面外位移W*(Wa+Wb)以及刚性维修正系数fn（Wb线性系数），f1（Wb一次微分系数），f2（Wb二次微分系数）和f3（Wa+Wb二次微分系数）。现有的残余塑变理论仅限于简单板梁结构，对于焊缝分布较远的刚性大的结构件，可将用简单公式计算的塑变值通过有限元方法作用于复杂结构件上，但除此之外的情况，考虑焊接顺序、焊缝间的作用对预测精度的影响是很必要的。一般焊接变形可通过焊前反变形、合理的焊接工艺、焊接规范、焊后机械矫正、火焰矫正等方法加以控制。而选择控制焊接变形的方法应因地制宜，因时而易。有效控制焊接变形的方法可以起到事半功倍的效果，从而最大程度节约人力、物力，确保焊接质量，缩短船体结构制作工期。大连理工大学船舶学院的刘玉君和李艳君利用热弹塑性有限元法来模拟结构的焊接过程，对不同板厚、不同热源的结构分别进行数值模拟，最终确定焊接结构的弹性反变形规律：焊接前施加弹性反变形的结构在焊接后角变形趋于零。杨志，周燕分析了焊接反变形在模块施工过程中的运用，通过综合考虑母材尺寸、性能等现场施工条件，分析焊接收缩应力对变形的影响，跟踪焊接过程中角变形角度变化，制定合理的焊接工艺及调整措施，取得了较好成果，对其它模块施工的焊接具有一定的借鉴与指导作用[16]。我打算采用焊接变形的数值模拟（该方法是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程中的温度场、应力应变场及随后形成的残余应力等方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识）来得出该焊接过程的变形情况。通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推断和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质,弄清焊接过程规律，以此来预测焊接变形的大小和方向。焊接变形的数值模拟和理论预测在研究和设计领域已得到了广泛应用，它为解决焊接残余应力和变形这一难题带来了新思路和新方法。参考文献：[1]寇雄,颜锦.船舶焊接变形的形成与控制[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24（1）:121-123.[2]巴普苏也夫.船体焊接变形防止法（第一版）[M].北京:机械工业出版社,1957.[3]GreeneTW.Controlledlow-temperaturestressrelieving[J].WeldingJournalResSuppl,194611(3):171-185.[4]MolliconeP.etalProceduralinfluencesonnon-lineardistortionsinweldedthin-platefabrication[J].Thin-WalledStructure,2008,46(7-9):1021-1034.[5]CamillenD,GrayTＧF.Computationallyefficientweldingdistortionsimulationtechniques[J].ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineering,2005,13(8):1365-1382.[6]CamillenD,etalComputationalpredictionofout-of-planeweldingdistortionandexperimentalinvestigation[J].TheJournalofStrainAnalysisforEngineeringDesign,2005,40(2):161-176.[7]WatanableM.ControlofangulardistortioninweldingconditionsinT-filledweldedjoints(Report2shrinkagedistortioninweldedjoint)[J].Journaloftheweldingsociety,Japan,1956,25(6):362-367.[8]WatanableM.Effectofweldingconditiononthetransverseshrinkagedistortionofbeadonplates(Report1.shrinkagedistortioninweldedjoint)[J].JournaloftheWeldingsociety,Japan,1956,25(4):211-216.[9]UedaY,NakachoK,etalAnewmeasuringmethodofresidualstresswiththeaidoffiniteelementmethodofreliabilityofestimatedvalues[J].JournalofthesocietyofNavalArchitectsofJapan,1971,2(2):499-507.[10]李婧.大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用[D].上海交通大学,2011.[11]李鸿,任慧友,曾骥.预测船体分段焊接变形方法概述[J].船舶工程,2005,27（5）:55-58.[12]蔡志鹏.大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用[D].北京:清华大学,2001.[13