陈俊梅，包晔峰上海交通大学焊接工程研究所陈家本，马玉江，郑惠锦.PDF

薄板焊接变形控制技术 薛小怀，陈俊梅，包晔峰 上海交通大学焊接工程研究所 陈家本，马玉江，郑惠锦 上海船舶工艺研究所 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σ 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