史雄華， 牛業(yè)興， 向 生， 張慶亞， 王江超

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)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(yán)峻問題。在船舶建造過程中，焊接變形不僅會(huì)降低焊接質(zhì)量，過大的變形量還會(huì)影響下一階段裝焊過程。焊接變形的不斷累積將導(dǎo)致船體分段難以合龍，且對(duì)于較復(fù)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(huì)引起結(jié)構(gòu)材料的脆化，造成低應(yīng)力破壞等。目前，焊接變形的預(yù)測(cè)手段以及控制方法已相繼取得重大理論和實(shí)踐突破。本文詳細(xì)綜述二者當(dāng)前的研究進(jìn)展。

1 船體結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)方法

焊接變形嚴(yán)重影響船體結(jié)構(gòu)的建造精度，因此預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)焊接變形方法可歸納為：經(jīng)驗(yàn)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(yù)測(cè)方法。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

該方法是通過查找焊接手冊(cè)上的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線估計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的變形量[2]。曾志斌等[3]總結(jié)對(duì)接焊接變形經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式是將在實(shí)驗(yàn)室對(duì)窄小板條的焊接變形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納得出的，對(duì)于船體中大型復(fù)雜的板架結(jié)構(gòu)具有很大的局限性。

表1 對(duì)接焊接變形經(jīng)驗(yàn)公式

1.2 理論解析法

20世紀(jì)40年代，奧凱爾勃洛姆等[4]率先開展對(duì)焊接變形和殘余應(yīng)力的研究。針對(duì)一維條件下的應(yīng)力應(yīng)變過程，分析并建立確定焊接殘余應(yīng)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(jìn)行深入研究并提出以殘余塑變計(jì)算焊接變形的研究方法。該方法可以對(duì)其他方法(如數(shù)值分析法等)所得解的精確性進(jìn)行校驗(yàn)。由于此方法建立在一些理想性假設(shè)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(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的焊接變形，可以考察結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)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(yù)測(cè)的主要手段。

1.3.1 熱彈塑性有限元法

這是一種當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛且相當(dāng)成熟的預(yù)測(cè)焊接變形的計(jì)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(duì)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(qiáng)筋尺寸及板的細(xì)長度對(duì)簡單角焊縫變形和極限強(qiáng)度的影響，并通過試驗(yàn)得以驗(yàn)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(gè)插管與殼板的焊接變形，且通過平板對(duì)接試驗(yàn)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(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，尤其是大型的船體分段，應(yīng)用熱彈塑性有限元法計(jì)算量非常龐大；第二，許多材料的高溫?zé)嵛锢砹W(xué)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(jìn)行一次彈性有限元分析便可以計(jì)算出殘余應(yīng)力和變形。這種方法需要準(zhǔn)確求出描述焊接變形力學(xué)特性的等效載荷[12]。根據(jù)載荷的計(jì)算方法，可分為固有應(yīng)變等效載荷法與塑性應(yīng)變等效載荷法(Plasticity-based Distortion Analysis, PDA)。

焊接接頭尺寸對(duì)固有應(yīng)變的影響很小，可忽略不計(jì)，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(yīng)變?chǔ)舤、塑性應(yīng)變?chǔ)舙l、蠕變應(yīng)變?chǔ)與和相變應(yīng)變?chǔ)舙h等4者殘余量之和，即總應(yīng)變?chǔ)舤o中除去彈性應(yīng)變?chǔ)舉的剩余部分：

εi=εto-εe=εt+εpl+εc+εph

(1)

固有應(yīng)變?cè)趯?shí)際使用中有些困難，因?yàn)槭艿胶附訜嵫h(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(duì)垂直于焊縫橫斷面上的各固有應(yīng)變分量積分得到各分量的固有變形，這便增加了適應(yīng)性，可以對(duì)大型船體分段的焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)[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(jī)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(rèn)為是觸發(fā)屈曲的誘因，并影響焊接變形的大小。

PDA是對(duì)固有應(yīng)變等效載荷法的精簡。因?yàn)楣逃袘?yīng)變中的熱應(yīng)變會(huì)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(yīng)變可忽略不計(jì)，所以剩下的塑性應(yīng)變成為了主要的應(yīng)變?cè)?。如JUNG等[16]使用該方法研究殘余塑性應(yīng)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(jì)算得到的結(jié)果相比，準(zhǔn)確性達(dá)到97%。

1.4 基于數(shù)據(jù)挖掘的焊接變形預(yù)測(cè)法

由于傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值分析的焊接預(yù)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性，一些研究學(xué)者開始尋找其他方法，即從實(shí)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(yù)測(cè)的包括：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)(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(yīng)用于壓力容器的焊接，證明該方法的準(zhǔn)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(yù)測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)焊接變形的快捷預(yù)測(cè)和管理。馮志強(qiáng)等[20]提出一種基于模糊粗糙集理論的知識(shí)建模方法，結(jié)果表明：預(yù)測(cè)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(yù)報(bào)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(luò)技術(shù)在船舶焊接變形預(yù)測(cè)方面的研究最為成熟。PINZON等[21]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解決板材線加熱成形的逆問題，其使用板厚及4個(gè)固有變形分量作為輸入?yún)?shù)求解線加熱速度，對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)果表明：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬結(jié)果影響顯著。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

張系斌等[22]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)中厚板的對(duì)接焊接變形，通過3層BP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)其中幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果與試驗(yàn)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(luò)對(duì)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(jìn)行預(yù)測(cè)，且證明該方法有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。張玉寶等[24]提出的基于“進(jìn)化監(jiān)控”和“生死個(gè)體交替”技術(shù)相結(jié)合的傳統(tǒng)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)策略，應(yīng)用于手工電弧焊(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)焊接變形預(yù)測(cè)，與基于傳統(tǒng)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型相比，預(yù)測(cè)精度更高，速度更快，具有更高的工程應(yīng)用價(jià)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(shè)計(jì)、焊接工藝、反變形、溫度場(chǎng)、綜合分析等幾方面考慮。

2.1 科學(xué)的設(shè)計(jì)方法

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

2.2 先進(jìn)的焊接技術(shù)

近年來，多絲焊、攪拌摩擦焊、激光-電弧復(fù)合焊等一批先進(jìn)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(dòng)化、高效化邁進(jìn)[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(dǎo)致母材熱輸入過大，性能明顯下降。為了解決這個(gè)問題，LI等[28]提出雙絲旁路耦合電弧熔化極氣體保護(hù)焊(Double Electrode-Gas Metal Arc Welding, DE-GMAW)方法，它通過引入旁路電弧實(shí)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(chǔ)上采用雙閉環(huán)反饋解耦智能控制系統(tǒng)讓DE-GMAW焊接時(shí)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(fù)合焊接技術(shù)

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是綜合單獨(dú)的激光焊接和電弧焊接而產(chǎn)生的，將激光、電弧復(fù)合起來，可以起到“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)[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(fù)合焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。王凱等[31]綜述近幾年激光-電弧復(fù)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(yīng)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(yīng)用激光-電弧復(fù)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(shí)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(fù)合焊接[34]示例。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊接示例

李曉輝等[35]發(fā)明旋轉(zhuǎn)雙焦點(diǎn)激光-TIG復(fù)合焊接工藝，并對(duì)304不銹鋼進(jìn)行不同焊接參數(shù)下的工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明：焊接電流與激光功率的相互配合是2個(gè)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(yù)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(shí)對(duì)不同厚度船用鋼板在加工過程中的彈性變形、接觸應(yīng)力的影響，為工程實(shí)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(jìn)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(yàn)中研究激光功率、焊接速度、離焦量對(duì)焊縫形狀及強(qiáng)度的影響，并采用正交試驗(yàn)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(duì)材料Q345大型吊車箱形梁分段的頂板結(jié)構(gòu)焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)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(duì)三通管焊接殘余應(yīng)力分布的影響，得到在筒壁上施加約束時(shí)殘余應(yīng)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(diǎn)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(duì)不同熱源、不同板厚的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)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(shè)計(jì)彈性反變形工裝，對(duì)反變形工裝的連接桿進(jìn)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(jìn)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(chǎng)控制法

溫度場(chǎng)的分布情況對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)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(chǎng)的方法之一。程小華等[46]對(duì)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(chǎng)變化，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，帶狀移動(dòng)熱源最佳。衛(wèi)亮等[47]針對(duì)高速列車焊接工藝特點(diǎn)，改進(jìn)常用的高斯熱源，提出適合鋁合金惰性氣體保護(hù)焊的雙橢圓柱-高斯分布熱源模型，并在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)。

另一種控制溫度場(chǎng)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(duì)采用動(dòng)態(tài)控制低應(yīng)力無變形焊接技術(shù)的薄板對(duì)接接頭應(yīng)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(qiáng)。

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(shí)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(dá)到預(yù)期效果。所以，需對(duì)整個(gè)焊接過程進(jìn)行監(jiān)控，以結(jié)構(gòu)的最終焊接變形為目標(biāo)，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(fù)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(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，尋找最優(yōu)的SMAW工藝參數(shù)組合，驗(yàn)證系統(tǒng)綜合分析法的可靠性。

3 結(jié) 語

焊接變形預(yù)測(cè)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(shí)二者的聯(lián)系也相當(dāng)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(xué)習(xí)等熱門領(lǐng)域的知識(shí)也會(huì)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(yù)測(cè)和控制一定會(huì)向著智能化、人性化、方便化、精確化方面發(fā)展。