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Chapter 17
焊接残余应力与畸变
摘要：所焊接的面板、组件和组件受到加热后冷却的热循环，其收缩力往往会造成不同程度的扭曲。不同厚度的非均匀收缩力可能会导致角变形, 而薄板板上的平面压缩力则趋于弯曲。在焊接接头中, 远离焊缝区域的贱金属在整个焊接操作过程中保持室温, 不受任何膨胀或收缩的作用。这种 '冷' 部分的基础金属约束焊接区域和相邻的加热基金属从自由膨胀到收缩。这就导致了焊缝附近屈服点大小的应力。在此压力下, 焊缝和相邻的加热金属产生塑性应变。由于焊缝金属和贱金属冷却到室温残余应力形成，如果拆卸一些外部约束, 如夹具或焊接凸耳, 残余应力可能会通过导致飞贱金属进一步变形而得到部分缓解。
copy; Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2017 235
N.R. Mandal, Ship Construction and Welding, Springer Series on Naval Architecture, Marine Engineering, Shipbuilding and Shipping 2,
DOI 10.1007/978-981-10-2955-4_17
造船业主要是一个装配行业。焊接的面板、组件和组件受到加热后冷却的热循环，由于热膨胀现象和加热冷却循环不均匀, 导致焊接板收缩力的发展。收缩力往往造成不同程度的扭曲，不同厚度的非均匀收缩力可能会导致角变形, 而薄板板上的平面压缩力则趋于弯曲。
在焊接接头中, 远离焊缝区域的贱金属在整个焊接操作过程中保持室温, 不受任何膨胀或收缩的作用。这种 '冷' 部分的基础金属约束焊接区域和相邻的加热基金属从自由膨胀和收缩。由于焊缝金属冷却和固化, 它通常试图在较低温度下进行体积收缩。但由于相邻的冷金属的限制, 它不能这样做。这导致了接近屈服点的压力是在当前温度下焊接。在此压力下, 焊缝和相邻的加热金属产生塑性应变，超过屈服点的应力只能通过这种现象得到缓解。由于焊缝金属和贱金属冷却到室温残余应力形成，如果拆卸一些外部约束, 如夹具或焊接凸耳, 残余应力可能会通过导致飞贱金属进一步变形而得到部分缓解。为高速操作设计的船舶一般是重量敏感和要求薄板和部分。板材在板材加工中的使用量的增加, 导致畸变明显增加, 如图17.1 和17.2 所示。结果是增加的人为的配件, 火焰矫直和返工。因此, 从制造效率的角度来说, 焊接畸变的过程控制比焊后纠偏更可取。但船体畸变也可能对船舶的水动力性能产生不利影响，甲板和隔板起伏可能引起设备安装问题。
Fig. 17.1 Buckling of side shell panels
Fig. 17.2 Panel buckling bounded by stiffeners
由于焊接变形, 成品可能由于 fitup 差 (图 17.3), 降低了屈曲强度和不可接受的外观 (图 17.4) 而无法执行其预期的用途。
Fig. 17.3 May lead to poor fitup
Fig. 17.4 Unacceptable appearance
由于加强筋板是由纵向和横向焊接而成的, 在板内产生残余应力, 当这些残余应力的大小超过板的临界屈曲强度时, 板的屈曲就会导致面板弯曲。屈曲对面板的极限强度有很大的影响, 因为它可能会降低面板的极限强度, 从而导致船舶承载能力降低, 在砌块装配过程中不匹配, 结构美观损失。在船厂, 几乎3–5成本的百分比是在纠正这种屈曲失真。变形程度取决于焊接参数、板厚、板料的热物理性能、结构约束和焊接顺序。在成本和时间上的竞争力可以通过消除或减轻在制造过程中的扭曲, 而不是让他们积累, 然后删除它们。这可以通过正确理解失真机制及其类型和原因来实现, 这将有助于开发合适的预测工具和控制机制。
电弧焊接过程是一个非常复杂的现象, 涉及极高的温度, 导致微观结构的变化和热应力的形成。这些应力可能导致畸变, 并产生高水平的残余应力。这些往往会降低结构的强度, 这可能会容易受到破坏, 屈曲和疲劳, 可能会受到强化腐蚀。变形是焊接中的主要问题之一。
焊缝诱发畸变可大致分为五个方面:
纵向收缩；横向收缩；角畸变；弯曲变形；屈曲。
焊接板趋于收缩，焊接板的边缘倾向于靠近焊接区域, 无论是纵向还是横向。屈曲是整个板块弯曲3维的现象。角畸变是缺陷,表现为两个板块的连接彼此不是成180°，而是小于180°。
对接接头横向收缩: 与焊接线垂直方向的尺寸减小。
对接接头纵向收缩:与焊接线平行的方向的尺寸减小。纵向收缩量小于横向收缩, 约1/1000 的焊缝长度。
对接接头的角畸变: 由于通过板材厚度的非均匀热收缩而发生的角变化。在焊接过程中, 非均匀热收缩来源于厚度不均匀的加热。
角焊缝的角度畸变: 类似于对接接头焊缝的角畸变, 通过法兰厚度的非均匀热收缩会产生一个关于法兰中性轴的时刻。
纵向弯曲变形: 由焊缝纵向收缩应力引起的弯曲应力产生, 不与焊接件中性轴重合。
屈曲: 由于加劲肋的焊接而产生的压缩应力, 特别是在薄壁加强筋板的情况下。
焊接是一个完全瞬态现象, 其数值分析耗时很长, 因此, 在船舶或17焊接残余应力和变形近海结构的大型结构板的分析中, 采用常规的有限元方法是不可行的。分析。因此, 分析这种结构需要不同的建模方法。
同时，对焊接变形的控制在船舶加强筋板制造中具有重要的意义。这可以通过适当的设计和实施一个或多个失真控制措施, 适合特定的制造情况。
由于越来越轻的结构的要求, 造船的焊接变形问题被复杂化了 [1,2]。它自然地要求使用更薄的钢板。这是通过使用高强度钢材材料来实现的。由于收缩 的变化, 当使用薄板时, 进一步的作用是控制单元/块尺寸的难度增大[3]。
过去近4年来, 研究人员一直在研究薄板畸变。但是, 这项研究中有多少实际渗出在船厂导致了失真的减少是整个场景中的关键问题。
17.1关键问题
解决扭曲问题的关键问题可以确定如下:
设计者的作用；初始变形度；厚板金属的处理；板材的切割；加劲肋的焊接。
17.1.1设计者的作用
结构畸变历来被认为是焊接产生的问题，因此船舶设计具有潜在的失真效应作为一个主要考虑对设计者是很难的因素。然而, 情况并非总是如此。研究 '设计' 对失真的影响是非常恰当的。需要指出的是, 在概念设计阶段, 必须对失真进行处理, 然后再详细设计。以下是影响变形程度的设计的关键因素
（1）变形随板材厚度的减小而增大
（2）随着板宽 (框架间距) 的减小, 相同板材厚度的屈曲强度增大
（3）当板厚减小, 自由跨度增大时, 可能会导致屈曲的热输入减小
（4）临界屈曲强度随杨氏模量的减小而减小, 泊松比增大
（5）随着面板尺寸的增大, 临界屈曲强度减小
（6）增加加劲尺寸、增加临界屈曲强度的相同板块厚度
设计者在采用 '减少失真设计' 理念方面的作用在整个方案中也具有重要意义。
17.1.2初始变形度
板材的初始变形 (平整度) 降低薄板的屈曲强度 [4]。板材的平整度越大, 其临界屈曲应力就越低[4]。它们的主要畸变机制是局部屈曲。通过冷轧板矫直可显著提高平整度。然而, 这种矫直操作的效果没有得到很好的研究。这可能是一个严重的扁平板, 已被理顺, 可能会很容易受到热诱发畸变的后期阶段。这是一个特别困难的领域, 获得现实的数据, 但很明显, 它需要解决, 以有效控制焊接诱发失真[5]。
钢板的刚性是用轧制钢型材完成的。这些截面的初始变形可能会显著影响加强筋板的畸变水平。一个具有初始变形的加劲肋段可将一块板拉入截面形状, 从而引入 '畸变'。另一种情况可能是, 该部分被拉到板上, 并创造了一个压力的情况下, 可能会减轻自己在焊接加劲。
喷丸作业去除磨损的标致, 可引起表面残余应力的再分配, 导致变形。
17.1.3厚板金属的处理
通过在卡车拖车上大量保护的厚板, 可以在板子上引入一个弧形，进一步收紧可能导致局部边缘失真或损坏。这种情况常常被忽视。
17.1.4板材的切割
如果通过热加热方法进行板材切割, 也可能导致严重的畸变。切割板最好的方法是减少失真, 即磨料水射流切割, 其次是激光切割, 水下等离子切割, 干等离子切割, 氧气火焰切割。
在板材切割阶段, 切口的开口可能会导致增强的失真, 特别是在稀释板上。更好的选择是在板已充分加筋后进行必要的开口。在板块边缘附近切割的扇贝会对板材平整度造成重大变形。
切边精度和斜角如果有的话也很重要。如果根部间隙或锥角大于设计的关节几何, 将需要更多的焊缝金属沉积, 导致更多的热量进入接头。这将增加失真的可能性。从30°到35°的角度变化将导致熔敷焊缝金属体积增加约25%。同时, 钉焊缝将保持一致较小, 以保持热量输入到最低限度。
17.1.5加劲肋的焊接
在加劲肋的焊接中, 角的腿长度直接与热输入有关。因此, 要使失真降到最低, 必须按照分类规则的要求将圆角尺寸保持在最小。在圆角沉积额外的金属是一个严重的情况下超过焊接, 例如在5毫米腿长度的地方如果7毫米被存放, 它共计一个超过焊接大约 92% [6]。这相当于在同结构中增加几乎两次的热量输入。因此, 在加强筋板的制造中控制角的腿长度是至关重要的。而同样重要的是, 让焊工知道过焊接的影响, 否则可能显得微不足道。
加强劲网与板块之间的 fitup 应该是网络与板块之间的差距最小。这是为了确保熔敷金属的体积也保持在最低限度。同时也会避免过度渗透, 因为它也会导致热量输入的增加。
17.2残余应力
为了了解焊接过程中残余应力是如何形成的, 可以考虑在板上焊接的简单情况。由于加热金属在焊接过程中受限膨胀和收缩, 基本上形成残余应力。图17.5 显示了焊接产生的加热和冷却周期各阶段的效果。图17.5 中的焊接电弧以给定的速度从D-D节向A-A节移动。沿A-A段, 在焊接电弧的前面, 焊接的温度变化几乎为零。因此, 没有金属膨胀或收缩的问题, 因此没有应变和压力。而在B-B节焊接电弧的位置, 温度升高极高, 导致温差Delta;T。当电弧接近B-B时, B-B的加热阶段就开始了。这将导致熔化的焊缝池周围的热金属膨胀。然而遥远的冷金属 (不受焊接热的影响) 将限制 (反对) 这膨胀导致压缩重音形成。在图 17.5c-2 中, 沿B-B节的应力分布表现为。由于熔融金属不能承受负载, 焊接电弧下的应力接近于零。压缩应力是在区域内形成的, 距离电弧很短, 因为这些区域的膨胀受到周围冷金属的约束。在高温下, 屈服应力较低, 在压力作用下, 焊缝附近发生塑性应变。
在焊接电弧的后面有一段距离的C-C型钢, 它在冷却阶段, 温度自然低于B-B节。随着熔融池的凝固, 在图17.5 中孵出的部分锰金属已经开始收缩在焊缝和邻近金属的附近。这种收缩过程再次受到周围的冷金属的约束, 导致拉应力在靠近焊缝的区域形成。随着焊缝距离的增加, 应力首先改变为压缩, 然后变为拉伸, 如图 17.5c-3 所示。
随着冷却的继续, 金属的收缩也继续导致拉应力的大小增加, 最后在D-D段, 这是远离焊接电弧, 其中的温度已冷却到周围温度, 高拉伸应力在焊缝附近的区域生产。为了平衡这个拉应力场, 压缩应力是从焊缝产生的, 如图 17.5c-4 所示。这是焊接完成后残余应力的通常分布。
图17.5 焊接过程中温度和应力变化的示意图表示法
对焊后残余应力发展的概念表述见图17.6。如果焊缝区域被认为是从板的其余部分, 如图17.6 所示, 它将倾向于从所有方向收缩冷却。但实际上它是钢板的剩余部分的一个不可分割的部分, 仍然不受焊接热的影响, 即保持冷。这将导致沿纵的拉伸力的发展以及沿横向方向产生塑性应变。
由于没有外力在工作, 为了使板块处于平衡状态, 这些内力必须处于自平衡状态。因此, 在焊接区域两侧的受压力会使纵向拉力平衡, 而横向拉力将在板两端形成的压缩力平衡, 如图17.6 所示。
图17.6 对接焊残余应力发展的概念表征
对焊接接头的典型焊接残余应力分布如图17.7 所示。正负标志分别表示拉伸和压缩残余应力。横向 (沿 Y 轴) 热梯度大于纵向热梯度, 横向塑性应变比纵向塑性应变大十倍。因此, 横向收缩比纵向收缩大得多, 横向残余应力的大小比纵向残余应力要小得多。
图17.7 对接焊缝典型残余应力分布
焊接残余应力的大小取决于各种因素, 如热输入率、结构的约束程度、热膨胀系数、材料熔点、焊接接头几何、预热、焊后热处理、焊缝金属和母材的抗拉强度、焊接顺序、板厚等。
17.2.1塑性应变
一个简单的条形模型, 如图 17.8所示, 可以被认为是解释在纵向方向对接焊接接头的力学行为[7]，且模型两端都有限制。该模型与焊接情况的类比如下: 高温焊接区域和与之相邻的金属对应于约束杆。这种约束复制了周围冷金属的抑制效果, 这是在室温条件附近。通过该模型, 模拟了焊缝金属的热膨胀和收缩效应。
被约束的部分假设是受热循环。加热循环导致的最大温度从0°c 和随后冷却到0°c。值得注意的是, 钢筋的弹塑性行为取决于最高温度。如果大于屈服温度, 可能会导致塑性应变的形成, 从而导致残余应力在约束杆中的发展。TY 是在受约束的部分中产生屈服的温度。
在焊接情况下, 焊缝区域及其附近的最大温度超过2TY
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