薄板焊接变形控制技术.docx

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薄板焊接变形控制技术

薄板焊接变形控制技术

在国外先进的军事强国如美国、俄罗斯等国在建造大型水面舰艇时普遍采用强度高的船体钢材，板厚减薄，从而使舰艇的自身重量减轻，可以使舰艇的战斗威力提高，具有航速加快等优点，图1为美国廿世纪90年代以来在舰艇制造中薄板钢材的使用情况及将来薄板在舰艇制造中所占比例的趋势。

然而，由于板厚的减薄也带来了薄板焊接变形控制难题，在国外先进国家均采用专门的焊接工装及装配夹具，同时大胆采用先进的焊接方法和开发新的焊接变形控制工艺。

在我国由于工艺方法的局限性，造成了舰艇在制造过程中存在焊接变形大，舰艇性能差、性能差、外观不美等缺点，不但影响了舰艇的机动性能，而且经火工矫正，增加了建造周期，降低了钢板的力学性能和耐蚀性，影响舰船寿命。

这一问题同样也存在于国外先进国家的舰艇制造中，比如在美国DDG-51导弹舰制造过程中变形控制成本中火工矫正就占相当大的比例（见图2）。

薄板焊接变形具有复杂性、多元性，从而严重影响了焊接质量，是国内外薄板焊接制造的一个技术难题。

本文主要针对焊接变形产生的理论基础、影响因素、预测技术及先进的焊接方法和工艺进行了综述。

图1 薄板在美国舰艇制造中的使用情况 

图2 美国导弹舰制造过程中火工矫正在变形控制成本中所占的比例 

1．薄板变形的数学物理模型 

按照板壳理论的观点，薄板焊接发生的压曲变形实质就是薄板的屈曲问题。

焊接薄板构件时，在远离焊缝的区域中产生残余压应力（见图3），该残余压应力的平均值大于薄板构件产生变形的临界压应力时就会产生压曲变形（也称挠曲变形）。

薄板结构主要承受两种载荷，一种是作用在中面内的拉、压或剪力，总称为中面力；另一种是垂直于中面的力，称为横向力。

对于中面力，可以认为它们沿板厚均匀分布，由此产生的应力和形变可按弹性力学中的平面问题计算；而横向力使薄板发生弯曲，由此产生的应力和形变可按薄板弯曲问题来处理。

对于薄板焊接的压曲变形而言属于中面力的载荷问题。

薄板焊接发生的压曲变形属于薄板的小挠度问题。

设矩形薄板长度为l、宽度为b、厚度为δ。

假设两端受均布压力qx为和图3中所示的焊接残余应力的共同作用，将焊接残余应力的分布按图3所示进行简化，简化后应用迭加原理来处理平均残余压应力对薄板压曲变形的贡献，得到矩形薄板的临界失稳压应力σc表达式。

图3 中心施焊 

qx—单位长度上的均布压力 

qr2＝σl2δ—单位长度上的均布残余压应力 

qr1=σl1δ—单位长度上的均布残余拉应力 

b1—简化后试件残余拉应力区的宽度 

（1） 

式中 m—沿长度方向的半波数 

n—沿宽度方向的半波数 

r2—简化后的平均残余压应力 

显然，σc随n的增大而增大。

为得到薄板试件在自身焊接残余压应力作用下发生临界失稳的临界平均残余压应力σc，12，可以分别令临界压应力σc=0，n=1即可得：

（2） 

由式

（2）可知，薄板发生压曲变形的临界平均压应力与材料的弹性模量和板厚的平方成正比。

2．薄板焊接变形的质量影响因子 

根据计算，一个操作工人的重量就可以使薄板产生永久的变形，如图4所示。

所以要成功实现薄板焊接变形的控制，必须了解薄板焊接变形质量影响因子。

图4 站在薄板一角的操作工人使薄板产生了永久变形 

薄板焊接变形的质量控制包括从钢板切割开始到装夹、点固焊、施焊工艺、焊后处理等，其中还要考虑所采用的焊接方法、有效地变形控制措施。

2.1　切割方法和切割质量对变形的影响 

切割方法和切割质量对薄板焊接变形的影响如图５所示，由于激光热源集中，切割速度快，所以比等离子切割的热作用具有更小的影响，在随后的残余应力积累过程中所占的比例也小。

切割的精度对焊接间隙的保证具有显著的影响，等离子切割在板边产生的不平整使点固焊后的板子在中间出现鼓包，而激光切割的板子在点固焊后则相对保持比较平整的表面。

（１）等离子切割和激光切割对薄板变形的影响 

（２）切割质量对薄板变形的影响 

图５　切割方法和切割质量对薄板焊接变形的影响［１］ 

2.2 焊接方法对焊接变形的影响 

合适的焊接方法需要考虑生产效率和焊接质量，所以焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响焊接变形的水平。

因此所采用的焊接方法必须具有高的熔敷效率和尽量少的焊道。

另外，还必须具有小的热输入。

通常用于船体焊接的方法有单面埋弧焊、双面埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、惰性气体保护焊、活性气体保护焊等。

从廿世纪80年代开发成功并于90年代应用于HY80钢建造舰船的T.I.M.E焊接方法，其焊接变形的控制也非常理想，其变形量只是常规手工焊和埋弧焊的二分之一。

该方法已经在加拿大、美国、奥地利、日本等国家中使用，并已获得美国、日本的发明专利权。

目前薄板的激光焊拼焊在汽车工业中得到大量应用，用于舰船的的激光焊试验研究目前在国外的某些大型船厂已经开始，估计不久的将来会得到实际的应用。

2.3 点固焊工艺对焊接变形的影响 

点固焊不仅能保证焊接间隙而且具有一定的抗变形能力。

但是要考虑点固焊焊点的数量、尺寸以及焊点之间的距离。

对于薄板的变形来说，点固焊工艺不适有可能在焊接之前就产生相当的残余焊接应力，对随后的焊接残余应力积累带来影响。

点焊尺寸过小可能导致焊接过程中产生开裂使焊接间隙得不到保证，如果过大可能导致焊道背面未熔透而影响接头的完整性。

点固焊的顺序、焊点距离的合理选择也相当重要，其影响结果在许多文献中都有描述。

2.4 装配应力及焊接程序 

应尽量减少焊接装配过程中引起的应力，如果该应力超过产生变形的临界应力就可能产生变形。

装配程序对加强肋点固焊焊接应力的影响如图6所示，不同的焊接程序对焊接残余应力的影响不同。

先焊接加强肋然后从左至右焊接 先焊接加强肋然后从中心向两边对称焊接 

图6 不同的焊接程序对焊接残余应力的影响 

2.5 焊缝尺寸对焊接残余应力的影响 

焊接过程中的局部高温加热和快速冷却在焊缝中及其近缝区的母材内产生热应变和压缩塑性应变，进而引起内应力，最终导致构件的纵向挠曲变形和角变形等。

纵向挠曲变形与总的纵向收缩应力（ ）有关：

（3） 

式中：

 -纵向收缩应力； -焊缝金属断面面积。

纵向弯曲挠度（ ）计算公式如下：

（4） 

式中：

 -纵向焊缝距试板重心的距离； -焊接试板的长度； 

-弹性模量； -焊接试板截面惯性矩。

当接头形式和焊板尺寸、材料一定时， 为常数。

即纵向挠曲变形和挠度与总的纵向收缩应力相关，即与焊缝金属断面面积成正比。

2.6 焊接热输入对薄板焊接变形的影响 

焊接热输入对焊接残余应力和变形的影响已经为大家所公认，所以在保证焊缝成形良好的情况下，尽可能采用小的焊接热输入，从而保证得到小的焊接应力和变形。

如何控制焊接热输入包括焊接电流、焊接电压、焊接速度的合理选择，对于TIME焊来说，还要考虑三元或四元保护气体的配比。

2.7 板厚的对焊接变形的影响 

随着板厚的减少抵抗弯曲变形的性能降低，这也是薄板焊接变形控制困难的主要原因。

3.变形控制工艺措施 

3.1 焊前控制措施 

（1） 刚性固定法是采用强制手段来减小焊后变形的。

采用设计合理的组对组焊胎夹具，将焊件固定起来进行焊接，增加其刚性，达到减小焊接变形的目的，保证装配的几何尺寸。

当薄板面积较大，焊缝较长时，可采用压铁法，分别放在焊缝两侧来减小焊接变形； 

（2） 焊接时待焊件间隙应在保证焊透的情况下越小越好，切割熔渣与剪切毛刺应清除干净，以减小焊接变形； 

（3） 焊接之前应采用较小直径的焊条进行点焊（定位焊），增 

加焊件刚性，对减小焊接变形有利。

3. 2焊后控制措施 

采用多点加热的方式矫正薄板焊后的凹凸变形，加热点直径一般不小于15mm，加热时点与点的距离应随着变形量的大小而定，一般在50～100mm之间。

焊后消除残余应力热处理法克服钢制焊接构件变形的研究表明，根据焊后热处理消除残余应力机制，为防止薄板焊接构件的焊后回弹变形，稳定构件尺寸，通过缝隙试样、板条及板块试样强制变形焊接后再进行热处理，由此证明，焊后热处理可有效地克服钢制焊接构件的变形。

在焊后热处理加热时，之所以能够通过塑性变形来稳定结构尺寸，消除残余应力，一方而是因为随着加热温度的升高。

在一定温度范围内，金属材料的屈服强度和纵弹性模量将大幅度降低。

从而使材料在该温度下发生塑性变形滑移所需要的临界切应力减少，因此材料不再能支持该状态下的残余应力，被迫进行局部塑性变形。

其应力将降低到所在温度的屈服强度水平。

另一方面，在加热过程中，还产生蠕变，从而可以产生附加的应力松驰。

在一定温度范围内（普通低合金钢约为450℃以上），既使应力远低于钢在该温度下的弹性极限，随时间的延长，也会产生缓慢的应力松驰。

由于金属在高温下的蠕变特性，使金属在应力作用下通过蠕变产生塑性变形，当蠕变量与原始弹性变形量相当时，应力即被消除， 

结构的尺寸和形状也得到稳定。

3.3焊接过程中控制措施 

焊前和焊后的控制措施大多需要专用的工艺装备，在生产过程中增加了一道工序，并且受工件具体结构的影响，这些工艺措施在实际生产中的运用具有一定的局限性。

焊接过程中可以从以下两个角度通过调整薄壁结构的焊缝及近缝区热应力-应变循环达到控制焊接残余变形（主要针对纵向收缩引起的纵向挠曲）的目的。

首先是减小加热阶段产生的纵向塑性压应变，这包括预拉伸法（机械拉伸、预置温差拉伸）、等效降低热输入法（采用各类冷却夹具、焊缝两侧预先沉积吸热物质、随焊激冷及高能束焊接）和降低温度梯度的均匀预热法。

其次是增大冷却阶段的纵向塑性拉应变，这包括夹具的拘束、动态温差拉伸（随焊激冷）和静态温差拉伸。

在以上各种方法中，温差拉伸法不仅实施方便（仅调整温度场），而且通过选择合理的工艺参数能够灵活地控制拉伸程度及纵向塑性应变的大小和性质。

另外须着重指出，随焊激冷不仅作为一种动态温差拉伸方法能够减小焊接变形，而且它还可以作为一种反应变法有效地防止焊接热裂纹。

适当预热夹具本身可以减小焊接变形，但更重要的是预热使激冷造成了温差拉伸，因此获得了最小的焊接变形。

对两种形式的温差拉伸控制铝合金薄板焊接残余变形的效果和规律进行的研究表明，由随焊激冷造成的动态温差拉伸减小焊接变形的效果受夹具自身散热条件的影响较大：

不采用整体预热时，难以造成马鞍形温度场，此时减小焊接变形的机理主要是焊接热输入的等效降低；采用整体预热后，能够造成一定程度的温差拉伸，减小焊接变形的效果明显提高。

中间冷却两侧加热的静态温差拉伸能够造成显著的马鞍形温度场，充分发挥温差拉伸的作用，有效地减小了焊接变形。

静态与动态温差拉伸结合使用，获得了最小的焊接变形。

影响角焊中非平面变形的角变形是由于焊接过程中局部加热区域的不同机理所引起的：

（1）零件的热膨胀取决于温升的程度；

（2）温升所引发的屈服强度下降；（3）塑性变形所造成的膨胀松弛或周边部位变形约束所引起的收缩；（4）冷却过程中零件的收缩取决于温升的程度，也就是说，影响角变形的重要因素为局部加热时在板的宽度和厚度方向的温度梯度及其在零件内部所造成的相互约束。

在焊接过程中采取的诸如相应的夹具、强迫冷却焊接区、减小焊接热输入或采用温差法等方法虽然可以减小变形成在一定程度上降低残余应力水平，但很难做到消除变形或定量地控制残余应力水平。

这是因为这些方法未能从根本上解决薄壁构件焊接变形的特殊问题——主要是在焊接过程中产生失稳变形。

而薄壁构件的低应力无变形焊接法（Low Stress Non—Distortion Welding——简称LSND法）的原理是：

采取措施阻止工件的瞬态面外失稳变形，保证由可按的预置温度场所提供的特殊温差拉伸效应。

在焊接过程中该“拉伸效应”一直跟随焊接热源，并对热应力应变的产生和发展过程进行实时而积极的定量控制。

焊后，残余应力的峰值可以控制在低于临界失稳应力的水平，工件保证了原有的平直状态而不发生失稳变形。

LSND焊接法由于受所设置的预置温度场和专用夹具的限制，目前只适于在直线焊缝上的静态控制，而动态控制的LSND焊接法则可克服其“静态”控制方面的局限性。

这种方法采用可跟随焊接热源移动的热潭装置，形成一个热源一热潭多源系统，在焊接区产生局部可控的准定常状态温度场和相应的准定常状态热弹塑性应力一应变场，达到薄壁结构动态控制的低应力无变形焊接效果。