摘要：焊接是一个包括了金属冶金、焊接顺序、焊接参数、焊接坡口等的复杂过程，另外，焊接工装的结构、工装的装夹方式、工装夹持力的作用时间等，都会影响到最终的变形结果。焊接结构的精度要求越来越高，对于焊接变形控制实际的需求是越来越迫切，在焊接时容易发生变形，该类零件制造周期长，焊接变形是制约产品质量和加工效率的重要因素。基于此，本文主要对焊接变形预测技术研究进展进行了简要的分析，以供参考。
关键词：焊接变形；预测技术；研究
引言
目前，由焊接引起的结构变形仍然是船舶在建造过程中面临的严峻问题。在船舶建造过程中，焊接变形不仅会降低焊接质量，过大的变形量还会影响下一阶段装焊过程。焊接变形的不断累积将导致船体分段难以合龙，且对于较复杂的变形，大量的焊后变形矫正不仅降低生产效率而且提高生产成本。另外，采用加热的方法矫正焊接变形往往还会引起结构材料的脆化，造成低应力破坏等。目前，焊接变形的预测手段以及控制方法已相继取得重大理论和实践突破。
1焊接变形预测
筒体示意图如图1所示，采用UG软件建立焊接实体模型，包括焊件、焊缝和工装，将该模型导入Simufact.Welding软件中导进行网格划分，随后对网格模型进行装配和赋予相应属性。选取适当的热源，建立材料热物性参数随温度的关系，定义边界条件，构建重要结构焊接变形分析模型。Simufact.Welding软件焊接仿真的流程如图2所示。采用双椭球热源模型，，计算出相应的热循环曲线。
图2焊接仿真流程
在模型较为复杂的情况下，采用热循环曲线简化分析，只进行热计算，得到简化的焊接热循环曲线。横坐标是时间轴，纵坐标是温度轴，将温度场以熔点为标准做归一化处理，纵坐标定义为：熔化温度为单位1，室温为0，为比值，无单位；横坐标定义为：达到熔化温度的时间为0，之前为负，之后为正。
结合实际焊接生产，调整合理的焊接参数和装夹方式，将热循环曲线作为温度场输入，焊接变形，最大变形1.11mm。表1为法兰端面与底板焊接变形模拟结果与实测的比较，法兰端面与底板的焊接变形模拟值与实测值的误差均在15%以内。
2焊接变形控制
2.1科学的设计方法
焊接结构设计是否合理对焊接变形有很大影响。合理的结构设计应包括以下几点：合理设计焊缝尺寸、位置和数量，应较多地采用间断焊接；合理设计焊缝的坡口形式，勿焊接过量。同时，在研究自动扶梯桁架焊接变形原因时发现，其设置了过多的腹杆和横梁，且焊缝尺寸过大，同时在设计上未避开最大应力作用的截面，最终直接影响变形量。
2.2先进的焊接技术
2.2.1 双丝旁路耦合电弧ＧＭＡＷ
虽然普通的双丝焊接工艺提高了生产效率，但是由于焊丝和母材电流相同，导致母材热输入过大，性能明显下降。为了解决这个问题，双丝旁路耦合电弧熔化极气体保护焊通过引入旁路电弧实现高焊丝熔化率和低母材热输入的焊接。樊丁等在此基础上采用双闭环反馈解耦智能控制系统让ＤＥ－ＧＭＡＷ焊接时的稳定性和精确度得到提升。图３为ＤＥ－ＧＭＡＷ工艺原理图。
2.2.2激光－电弧复合焊接技术
激光－电弧复合焊接技术是综合单独的激光焊接和电弧焊接而产生的，将激光、电弧复合起来，可以起到“１＋１＞２”的协同效应。激光焊接与不同的电弧焊接技术相结合，使得激光－电弧复合焊接技术的应用领域更加广泛。综述近几年激光－电弧复合焊接技术在船用铝合金、船体结构钢、船用不锈钢、异种材料连接等方面的应用。大众、奥迪等主要汽车生产厂商很早就在他们的生产线上应用激光－电弧复合焊接技术。由于该技术能增加焊接速度和送丝效率，同时能保持良好的穿透力和焊缝的冶金性能。激光焊接是一种能量集中、焊接速度快、焊接质量高的连接工艺，可以有效地连接高强钢板件。但焊缝区域的不均匀受热过程使得结构产生残余应力与变形，且有可能超出后续装配公差，影响结构可靠性。在生产过程中发现，某些车型的白车身经过激光焊接工艺后，门框铰链孔处由于热成型板件的焊接变形而产生超出装配公差的位移，从而影响后续门装配精度、门关闭力不达标等一系列问题。利用热弹塑性有限元方法，可以有效地预测板件在焊接过程中的变形，用于代替实际试验，降低生产成本。
2.3焊接顺序控制
在焊接重要节点上，焊接都是必须要使用正确的焊接流程进行焊接的，不仅要确保焊接的质量，同时还要避免焊接出现变形。针对单面坡口的焊接工作，要使用分段焊接的形式，降低焊接变形的几率；针对双面坡口焊接，要使用焊接此类节点，进行完正面焊接后对后面进行焊接，确保两面都均匀焊接。
2.4焊后调直控制措施
2.4.1机械调直
机械调直主要是利用机械矫正设备进行操作，在进行预制过程中运用到矫正组合梁上。一些局部机械调直是要利用液压千斤顶。进行液压千斤顶调直的过程中，不要采取在焊道外直接加压或者在机械调直过程中加热。针对板对接焊进行焊接变形要使用液压机来实际操作，如果要用液压机进行调直，不要再焊道处直接加压或者机器调直，同时不要进行加热。在进行机械矫正最大的变形坡度为2或是比例为1:24。若变形超过这个范围，就需要加热调直工艺。
2.4.2热调直
因为构件在焊接中会出现变形就要采取热调直。针对手工热调直，就需要在加热前，在加热的区域用笔进行标识做上记号，不要再焊道外采取加热的处理。另外，焊趾到火焰顶端的位置mm是不能进行加热。在热调直的过程中，不能进行水或者水雾采取冷却的处理。在热调直的方法上，有面加热，点加热和线加热，三种形式可以针对不同形式的变形来采取调直。热调直的温度一般比较严格，针对调质钢不允许超过600℃（1100℉），针对TMCP钢不得超过580℃（1076℉），其他种类的钢种不得超过650℃（1200℉）。钢材的温度在315℃以上，此时不能进行冷却处理。一般情况下测量的温度要保持在钢材距离火焰位置75mm。
2.5温度场控制法
温度场的分布情况对焊接结构的残余应力和变形有很大影响。其中，选用不同的焊接热源模型是控制温度场的方法之一对不锈钢Ｔ型接头分别建立４种热源模型模拟焊接过程温度场变化，经过比较发现，带状移动热源最佳针对高速列车焊接工艺特点，改进常用的高斯热源，提出适合铝合金惰性气体保护焊的双椭圆柱－高斯分布热源模型，并在实践中得到检验。另一种控制温度场的方法是改变热源位置。开展热源与热沉中心的距离对采用动态控制低应力无变形焊接技术的薄板对接接头应变影响的研究发现，热源与热沉之间距离越近，拉伸作用越强。
结束语
焊接变形预测和控制是船体结构在建造过程中亟待解决的问题，同时二者的联系也相当紧密。随着近几年信息技术的高速发展，大数据、深度学习等热门领域的知识也会给船舶行业带来新鲜的血液。未来船舶领域焊接变形的预测和控制一定会向着智能化、人性化、方便化、精确化方面发展。
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论文作者:于腾飞,牟世超,马新新
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：热源论文; 电弧论文; 激光论文; 过程中论文; 结构论文; 模型论文; 方法论文; 《防护工程》2019年第1期论文;