史雄華， 牛業(yè)興， 向 生， 張慶亞， 王江超

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院， 湖北 武漢 430074;2.上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司， 江蘇 啟東 226200)

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)的焊接變形控制是精度造船的重要組成部分，在提高船舶質(zhì)量、縮短造船周期、節(jié)省成本等方面具有重要意義。焊接是船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)必不可缺的連接手段，且焊接裝配工作量占船體建造總工作量的2/3以上，而焊接變形是焊接過程中最難控制的一環(huán)。所以，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響船體制造精度和生產(chǎn)周期等。

目前，由焊接引起的結(jié)構(gòu)變形仍然是船舶在建造過程中面臨的嚴峻問題。在船舶建造過程中，焊接變形不僅會降低焊接質(zhì)量，過大的變形量還會影響下一階段裝焊過程。焊接變形的不斷累積將導致船體分段難以合龍，且對于較復雜的變形，大量的焊后變形矯正不僅降低生產(chǎn)效率而且提高生產(chǎn)成本。另外，采用加熱的方法[1]矯正焊接變形往往還會引起結(jié)構(gòu)材料的脆化，造成低應力破壞等。目前，焊接變形的預測手段以及控制方法已相繼取得重大理論和實踐突破。本文詳細綜述二者當前的研究進展。

1 船體結(jié)構(gòu)焊接變形預測方法

焊接變形嚴重影響船體結(jié)構(gòu)的建造精度，因此預測變形的分布情況和數(shù)值大小成為精度造船的重要研究內(nèi)容。至今，預測焊接變形方法可歸納為：經(jīng)驗公式法、理論解析法、數(shù)值分析法和基于數(shù)據(jù)挖掘的焊接變形預測方法。

1.1 經(jīng)驗公式法

該方法是通過查找焊接手冊上的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)曲線估計焊接結(jié)構(gòu)的變形量[2]。曾志斌等[3]總結(jié)對接焊接變形經(jīng)驗公式匯總表(見表1)，包括焊縫的縱向變形、橫向變形、角變形量等。但是，這些經(jīng)驗公式是將在實驗室對窄小板條的焊接變形試驗結(jié)果進行歸納得出的，對于船體中大型復雜的板架結(jié)構(gòu)具有很大的局限性。

表1 對接焊接變形經(jīng)驗公式

1.2 理論解析法

20世紀40年代，奧凱爾勃洛姆等[4]率先開展對焊接變形和殘余應力的研究。針對一維條件下的應力應變過程，分析并建立確定焊接殘余應力和變形的理論研究方法。此后，庫茲米諾夫[5]基于該方法進行深入研究并提出以殘余塑變計算焊接變形的研究方法。該方法可以對其他方法(如數(shù)值分析法等)所得解的精確性進行校驗。由于此方法建立在一些理想性假設上，故僅適用于較簡單的焊接結(jié)構(gòu)。

1.3 數(shù)值分析法

利用數(shù)值分析技術(shù)預測結(jié)構(gòu)的焊接變形，可以考察結(jié)構(gòu)性能指標與制造可行性，從而縮短研究和開發(fā)焊接工藝技術(shù)的周期，節(jié)約大量成本。近年來，數(shù)值分析法已成為船體結(jié)構(gòu)焊接變形預測的主要手段。

1.3.1 熱彈塑性有限元法

這是一種當今應用最為廣泛且相當成熟的預測焊接變形的計算方法[6]。國外的BLANDON等[7]利用氣體加熱炬作為熱彈塑性有限元法的熱源模型，研究熱源位置和加熱速度等參數(shù)對U型肋板彎曲變形的影響。國內(nèi)的CHEN等[8]使用三維熱彈塑性有限元法研究加強筋尺寸及板的細長度對簡單角焊縫變形和極限強度的影響，并通過試驗得以驗證。熱彈塑性有限元法流程如圖1所示。李功榮等[9]采用熱彈塑性有限元法模擬橫骨架式船底結(jié)構(gòu)的焊接過程，證明在焊接過程中位于船底板架角端的胎架約束力最大。劉露等[10]建立熱彈塑性有限元模型模擬兩個插管與殼板的焊接變形，且通過平板對接試驗論證有限元模型及相關(guān)輸入?yún)?shù)的合理性。

圖1 熱彈塑性有限元法流程圖

然而，該方法亦有局限性：第一，對于復雜結(jié)構(gòu)而言，尤其是大型的船體分段，應用熱彈塑性有限元法計算量非常龐大；第二，許多材料的高溫熱物理力學性能數(shù)據(jù)不足[11]。

1.3.2 等效載荷法

等效載荷法忽略焊接中間過程，將等效載荷直接加載到焊接結(jié)構(gòu)上，然后進行一次彈性有限元分析便可以計算出殘余應力和變形。這種方法需要準確求出描述焊接變形力學特性的等效載荷[12]。根據(jù)載荷的計算方法，可分為固有應變等效載荷法與塑性應變等效載荷法(Plasticity-based Distortion Analysis, PDA)。

焊接接頭尺寸對固有應變的影響很小，可忽略不計，其大小主要與焊接接頭形式、材料屬性、板厚和焊接工藝參數(shù)有關(guān)[13]。它是熱應變εt、塑性應變εpl、蠕變應變εc和相變應變εph等4者殘余量之和，即總應變εto中除去彈性應變εe的剩余部分：

εi=εto-εe=εt+εpl+εc+εph

(1)

固有應變在實際使用中有些困難，因為受到焊接熱循環(huán)中的最高溫度和約束的影響，靠近焊縫的不同位置有不同的值。但是，如果通過對垂直于焊縫橫斷面上的各固有應變分量積分得到各分量的固有變形，這便增加了適應性，可以對大型船體分段的焊接變形進行預測[14]。WANG等[15]基于固有變形理論分別研究矩形薄板和加筋薄板的屈曲變形機理，結(jié)果表明：盡管縱向收縮力是產(chǎn)生焊接屈曲變形的主要原因，但是固有彎曲變形和初始撓度被認為是觸發(fā)屈曲的誘因，并影響焊接變形的大小。

PDA是對固有應變等效載荷法的精簡。因為固有應變中的熱應變會隨著焊接結(jié)構(gòu)溫度降低至室溫而消失，且焊接過程中由于蠕變和材料相變帶來的應變可忽略不計，所以剩下的塑性應變成為了主要的應變源。如JUNG等[16]使用該方法研究殘余塑性應變與薄板T型接頭角變形之間的內(nèi)在聯(lián)系并取得很好的效果，與熱彈塑性有限元計算得到的結(jié)果相比，準確性達到97%。

1.4 基于數(shù)據(jù)挖掘的焊接變形預測法

由于傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗公式、數(shù)值分析的焊接預測技術(shù)在實際應用時存在一定的局限性，一些研究學者開始尋找其他方法，即從實際建造的大量數(shù)據(jù)中尋求規(guī)律和方法。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[17]中用于焊接變形預測的包括：人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機(Support Vector Machine, SVM)、聚類分析等。趙麗等[18]基于ID3算法，建立決策樹數(shù)據(jù)挖掘模型并應用于壓力容器的焊接，證明該方法的準確性。周方明等[19]利用支持向量回歸的方法從大量的數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律，建立焊接變形的預測系統(tǒng)，其實際運行表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)焊接變形的快捷預測和管理。馮志強等[20]提出一種基于模糊粗糙集理論的知識建模方法，結(jié)果表明：預測模型具有較高的推算精度，能夠滿足船體結(jié)構(gòu)焊接變形預報與控制的要求。

在大量數(shù)據(jù)挖掘方法中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)在船舶焊接變形預測方面的研究最為成熟。PINZON等[21]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型解決板材線加熱成形的逆問題，其使用板厚及4個固有變形分量作為輸入?yún)?shù)求解線加熱速度，對應的神經(jīng)網(wǎng)絡模型拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)果表明：拓撲結(jié)構(gòu)及訓練數(shù)據(jù)對人工神經(jīng)網(wǎng)絡的模擬結(jié)果影響顯著。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡模型拓撲結(jié)構(gòu)

張系斌等[22]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測中厚板的對接焊接變形，通過3層BP網(wǎng)絡系統(tǒng)對其中幾組數(shù)據(jù)進行預測，結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)接近且誤差滿足工程要求。張健等[23]利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡對采用脈沖激光焊接技術(shù)的薄板在焊接中產(chǎn)生的橫向收縮變形和彎曲變形進行預測，且證明該方法有較高的預測準確度。張玉寶等[24]提出的基于“進化監(jiān)控”和“生死個體交替”技術(shù)相結(jié)合的傳統(tǒng)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡改進策略，應用于手工電弧焊(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)焊接變形預測，與基于傳統(tǒng)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型相比，預測精度更高，速度更快，具有更高的工程應用價值。

2 船體結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法

船體結(jié)構(gòu)焊接變形是船舶在建造過程中難以避免的工程問題，一般焊接變形的控制方法主要從結(jié)構(gòu)設計、焊接工藝、反變形、溫度場、綜合分析等幾方面考慮。

2.1 科學的設計方法

焊接結(jié)構(gòu)設計是否合理對焊接變形有很大影響。合理的結(jié)構(gòu)設計應包括以下幾點：合理設計焊縫尺寸、位置和數(shù)量，應較多地采用間斷焊接[25]；合理設計焊縫的坡口形式，勿焊接過量。同時，吳戰(zhàn)國等[26]在研究自動扶梯桁架焊接變形原因時發(fā)現(xiàn)，其設置了過多的腹桿和橫梁，且焊縫尺寸過大，同時在設計上未避開最大應力作用的截面，最終直接影響變形量。

2.2 先進的焊接技術(shù)

近年來，多絲焊、攪拌摩擦焊、激光-電弧復合焊等一批先進的焊接技術(shù)在船舶建造方面得到推廣，加快了船舶焊接技術(shù)向自動化、高效化邁進[27]。

2.2.1 雙絲旁路耦合電弧GMAW

雖然普通的雙絲焊接工藝提高了生產(chǎn)效率，但是由于焊絲和母材電流相同，導致母材熱輸入過大，性能明顯下降。為了解決這個問題，LI等[28]提出雙絲旁路耦合電弧熔化極氣體保護焊(Double Electrode-Gas Metal Arc Welding, DE-GMAW)方法，它通過引入旁路電弧實現(xiàn)高焊絲熔化率和低母材熱輸入的焊接。樊丁等[29]在此基礎上采用雙閉環(huán)反饋解耦智能控制系統(tǒng)讓DE-GMAW焊接時的穩(wěn)定性和精確度得到提升。圖3為DE-GMAW工藝原理圖[29]。

圖3 DE-GMAW工藝原理圖

2.2.2 激光-電弧復合焊接技術(shù)

激光-電弧復合焊接技術(shù)是綜合單獨的激光焊接和電弧焊接而產(chǎn)生的，將激光、電弧復合起來，可以起到“1+1>2”的協(xié)同效應[30]。

激光焊接與不同的電弧焊接技術(shù)相結(jié)合，使得激光-電弧復合焊接技術(shù)的應用領(lǐng)域更加廣泛。王凱等[31]綜述近幾年激光-電弧復合焊接技術(shù)在船用鋁合金、船體結(jié)構(gòu)鋼、船用不銹鋼、異種材料連接等方面的應用。大眾、奧迪等主要汽車生產(chǎn)廠商很早就在他們的生產(chǎn)線上應用激光-電弧復合焊接技術(shù)。由于該技術(shù)能增加焊接速度和送絲效率，同時能保持良好的穿透力和焊縫的冶金性能[32-33]。圖4為激光-電弧復合焊接[34]示例。

圖4 激光-電弧復合焊接示例

李曉輝等[35]發(fā)明旋轉(zhuǎn)雙焦點激光-TIG復合焊接工藝，并對304不銹鋼進行不同焊接參數(shù)下的工藝試驗，結(jié)果表明：焊接電流與激光功率的相互配合是2個熱源能否有效耦合的關(guān)鍵因素。

2.2.3 攪拌摩擦焊

目前，在造船領(lǐng)域，攪拌摩擦焊技術(shù)主要用于鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工。利用攪拌摩擦焊將小尺寸的鋁合金型材拼接成較大的預成型構(gòu)件，已成為游艇、高速艦船等輕合金船舶制造的主要手段[36]。

荊忠亮等[37]研究攪拌摩擦焊在不同接觸力時對不同厚度船用鋼板在加工過程中的彈性變形、接觸應力的影響，為工程實踐提供參考。李瑞武等[38]研究30 mm厚度的5083鋁合金焊接參數(shù)與焊縫成形質(zhì)量及組織性能的關(guān)系，從中找出最優(yōu)的參數(shù)組合。圖5為攪拌摩擦焊原理示例[39]。

圖5 攪拌摩擦焊原理示例

2.3 合理的焊接工藝措施

先進的焊接技術(shù)，需要合適的焊接工藝作為保障。合理的焊接工藝措施包括：選用合適的焊接工藝參數(shù)、裝焊順序及約束方式等。

于永清等[40]在激光填粉焊接304不銹鋼板試驗中研究激光功率、焊接速度、離焦量對焊縫形狀及強度的影響，并采用正交試驗優(yōu)選工藝參數(shù)。周廣濤等[41]利用熱彈塑性有限元方法對材料Q345大型吊車箱形梁分段的頂板結(jié)構(gòu)焊接變形進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明：最優(yōu)的焊接順序得到的變形量為15.12 mm，比最差的焊接順序得到的變形量28.47 mm降低47%，可見選用合理的焊接順序的重要性。李育文等[42]研究不同的固定方式對三通管焊接殘余應力分布的影響，得到在筒壁上施加約束時殘余應力分布較合理。

2.4 反變形法

反變形法是先估算好焊件變形的大小和方向，然后在裝焊前通過工裝夾具或點焊等措施給構(gòu)件施加相反的人為變形，以此來抵消焊接變形。

劉玉君等[43]通過對不同熱源、不同板厚的結(jié)構(gòu)分別進行熱彈塑性有限元模擬，研究焊接結(jié)構(gòu)的彈性反變形規(guī)律，證明反變形法的有效性。劉雨生等[44]基于有限元模型自行設計彈性反變形工裝，對反變形工裝的連接桿進行數(shù)值模擬，有效地控制焊接變形。張凱等[45]采用變曲率法和等曲率法2種方法簡化處理反變形量，進行T型接頭焊接變形控制研究，結(jié)果表明：以變曲率的形式施加反變形，構(gòu)件的焊后平整度更好。圖6為彈性反變形工裝結(jié)構(gòu)[44]。

圖6 彈性反變形工裝結(jié)構(gòu)

2.5 溫度場控制法

溫度場的分布情況對焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力和變形有很大影響。其中，選用不同的焊接熱源模型是控制溫度場的方法之一。程小華等[46]對不銹鋼T型接頭分別建立4種熱源模型模擬焊接過程溫度場變化，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，帶狀移動熱源最佳。衛(wèi)亮等[47]針對高速列車焊接工藝特點，改進常用的高斯熱源，提出適合鋁合金惰性氣體保護焊的雙橢圓柱-高斯分布熱源模型，并在實踐中得到檢驗。

另一種控制溫度場的方法是改變熱源位置。李菊等[48]開展熱源與熱沉中心的距離對采用動態(tài)控制低應力無變形焊接技術(shù)的薄板對接接頭應變影響的研究發(fā)現(xiàn)，熱源與熱沉之間距離越近，拉伸作用越強。

2.6 系統(tǒng)綜合分析法

除了上述提到的眾多影響船體結(jié)構(gòu)焊接變形的因素外，在實際建造過程中還要考慮焊接作業(yè)環(huán)境、材料屬性等因素，只改變某一種因素很難達到預期效果。所以，需對整個焊接過程進行監(jiān)控，以結(jié)構(gòu)的最終焊接變形為目標，以影響焊接變形的各種關(guān)鍵因素為參數(shù)，建立函數(shù)，統(tǒng)籌分析，這才是研究復雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形的最佳方案。張恩慧等[49]建立以焊接工藝參數(shù)為優(yōu)化變量，橫向收縮變形和角變形為優(yōu)化目標的多目標優(yōu)化模型，尋找最優(yōu)的SMAW工藝參數(shù)組合，驗證系統(tǒng)綜合分析法的可靠性。

3 結(jié) 語

焊接變形預測和控制是船體結(jié)構(gòu)在建造過程中亟待解決的問題，同時二者的聯(lián)系也相當緊密。隨著近幾年信息技術(shù)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、深度學習等熱門領(lǐng)域的知識也會給船舶行業(yè)帶來新鮮的血液。未來船舶領(lǐng)域焊接變形的預測和控制一定會向著智能化、人性化、方便化、精確化方面發(fā)展。