在國外先進(jìn)的軍事強(qiáng)國如美國、俄羅斯等國在建造大型水面艦艇時普遍采用強(qiáng)度高的船體鋼材，板厚減薄，從而使艦艇的自身重量減輕，可以使艦艇的戰(zhàn)斗威力提高，具有航速加快等優(yōu)點(diǎn)，圖1為美國廿世紀(jì)90年代以來在艦艇制造中薄板鋼材的使用情況及將來薄板在艦艇制造中所占比例的趨勢。然而，由于板厚的減薄也帶來了薄板焊接變形控制難題，在國外先進(jìn)國家均采用專門的焊接工裝及裝配夾具，同時大膽采用先進(jìn)的焊接方法和開發(fā)新的焊接變形控制工藝。在我國由于工藝方法的局限性，造成了艦艇在制造過程中存在焊接變形大，艦艇性能差、性能差、外觀不美等缺點(diǎn)，不但影響了艦艇的機(jī)動性能，而且經(jīng)火工矯正，增加了建造周期，降低了鋼板的力學(xué)性能和耐蝕性，影響艦船壽命。這一問題同樣也存在于國外先進(jìn)國家的艦艇制造中，比如在美國DDG-51導(dǎo)彈艦制造過程中變形控制成本中火工矯正就占相當(dāng)大的比例（見圖2）。 

       薄板焊接變形具有復(fù)雜性、多元性，從而嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量，是國內(nèi)外薄板焊接制造的一個技術(shù)難題。本文主要針對焊接變形產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)、影響因素、預(yù)測技術(shù)及先進(jìn)的焊接方法和工藝進(jìn)行了綜述。 

圖1 薄板在美國艦艇制造中的使用情況 

圖2 美國導(dǎo)彈艦制造過程中火工矯正在變形控制成本中所占的比例 

1．薄板變形的數(shù)學(xué)物理模型 

按照板殼理論的觀點(diǎn)，薄板焊接發(fā)生的壓曲變形實(shí)質(zhì)就是薄板的屈曲問題。焊接薄板構(gòu)件時，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力（見圖3），該殘余壓應(yīng)力的平均值大于薄板構(gòu)件產(chǎn)生變形的臨界壓應(yīng)力時就會產(chǎn)生壓曲變形(也稱撓曲變形)。薄板結(jié)構(gòu)主要承受兩種載荷，一種是作用在中面內(nèi)的拉、壓或剪力，總稱為中面力；另一種是垂直于中面的力，稱為橫向力。對于中面力，可以認(rèn)為它們沿板厚均勻分布，由此產(chǎn)生的應(yīng)力和形變可按彈性力學(xué)中的平面問題計(jì)算；而橫向力使薄板發(fā)生彎曲，由此產(chǎn)生的應(yīng)力和形變可按薄板彎曲問題來處理。對于薄板焊接的壓曲變形而言屬于中面力的載荷問題。薄板焊接發(fā)生的壓曲變形屬于薄板的小撓度問題。 

設(shè)矩形薄板長度為l、寬度為b、厚度為δ。假設(shè)兩端受均布壓力qx為和圖3中所示的焊接殘余應(yīng)力的共同作用，將焊接殘余應(yīng)力的分布按圖3所示進(jìn)行簡化，簡化后應(yīng)用迭加原理來處理平均殘余壓應(yīng)力對薄板壓曲變形的貢獻(xiàn)，得到矩形薄板的臨界失穩(wěn)壓應(yīng)力σc表達(dá)式。 

圖3 中心施焊 

qx—單位長度上的均布壓力  

qr2＝σl2δ—單位長度上的均布?xì)堄鄩簯?yīng)力  

qr1=σl1δ—單位長度上的均布?xì)堄嗬瓚?yīng)力  

b1—簡化后試件殘余拉應(yīng)力區(qū)的寬度  

（1）  

式中 m—沿長度方向的半波數(shù)  

n—沿寬度方向的半波數(shù)  

r2—簡化后的平均殘余壓應(yīng)力 

顯然，σc隨n的增大而增大。為得到薄板試件在自身焊接殘余壓應(yīng)力作用下發(fā)生臨界失穩(wěn)的臨界平均殘余壓應(yīng)力σc，12，可以分別令臨界壓應(yīng)力σc=0，n=1即可得： 

（2） 

由式（2）可知，薄板發(fā)生壓曲變形的臨界平均壓應(yīng)力與材料的彈性模量和板厚的平方成正比。 

2．薄板焊接變形的質(zhì)量影響因子 

根據(jù)計(jì)算，一個操作工人的重量就可以使薄板產(chǎn)生永久的變形，如圖4所示。所以要成功實(shí)現(xiàn)薄板焊接變形的控制，必須了解薄板焊接變形質(zhì)量影響因子。 

圖4 站在薄板一角的操作工人使薄板產(chǎn)生了永久變形 

薄板焊接變形的質(zhì)量控制包括從鋼板切割開始到裝夾、點(diǎn)固焊、施焊工藝、焊后處理等，其中還要考慮所采用的焊接方法、有效地變形控制措施。 

2.1　切割方法和切割質(zhì)量對變形的影響 

切割方法和切割質(zhì)量對薄板焊接變形的影響如圖５所示，由于激光熱源集中，切割速度快，所以比等離子切割的熱作用具有更小的影響，在隨后的殘余應(yīng)力積累過程中所占的比例也小。切割的精度對焊接間隙的保證具有顯著的影響，等離子切割在板邊產(chǎn)生的不平整使點(diǎn)固焊后的板子在中間出現(xiàn)鼓包，而激光切割的板子在點(diǎn)固焊后則相對保持比較平整的表面。 

（１）等離子切割和激光切割對薄板變形的影響 

（２）切割質(zhì)量對薄板變形的影響 

圖５　切割方法和切割質(zhì)量對薄板焊接變形的影響［１］ 

2.2 焊接方法對焊接變形的影響 

合適的焊接方法需要考慮生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，所以焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的水平。因此所采用的焊接方法必須具有高的熔敷效率和盡量少的焊道。另外，還必須具有小的熱輸入。通常用于船體焊接的方法有單面埋弧焊、雙面埋弧焊、藥芯焊絲電弧焊、惰性氣體保護(hù)焊、活性氣體保護(hù)焊等。從廿世紀(jì)80年代開發(fā)成功并于90年代應(yīng)用于HY80鋼建造艦船的T.I.M.E焊接方法，其焊接變形的控制也非常理想，其變形量只是常規(guī)手工焊和埋弧焊的二分之一。該方法已經(jīng)在加拿大、美國、奧地利、日本等國家中使用，并已獲得美國、日本的發(fā)明專利權(quán)。目前薄板的激光焊拼焊在汽車工業(yè)中得到大量應(yīng)用，用于艦船的的激光焊試驗(yàn)研究目前在國外的某些大型船廠已經(jīng)開始，估計(jì)不久的將來會得到實(shí)際的應(yīng)用。 

2.3 點(diǎn)固焊工藝對焊接變形的影響 

點(diǎn)固焊不僅能保證焊接間隙而且具有一定的抗變形能力。但是要考慮點(diǎn)固焊焊點(diǎn)的數(shù)量、尺寸以及焊點(diǎn)之間的距離。對于薄板的變形來說，點(diǎn)固焊工藝不適有可能在焊接之前就產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臍堄嗪附討?yīng)力，對隨后的焊接殘余應(yīng)力積累帶來影響。點(diǎn)焊尺寸過小可能導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生開裂使焊接間隙得不到保證，如果過大可能導(dǎo)致焊道背面未熔透而影響接頭的完整性。點(diǎn)固焊的順序、焊點(diǎn)距離的合理選擇也相當(dāng)重要，其影響結(jié)果在許多文獻(xiàn)中都有描述。 

2.4 裝配應(yīng)力及焊接程序 

應(yīng)盡量減少焊接裝配過程中引起的應(yīng)力，如果該應(yīng)力超過產(chǎn)生變形的臨界應(yīng)力就可能產(chǎn)生變形。裝配程序?qū)訌?qiáng)肋點(diǎn)固焊焊接應(yīng)力的影響如圖6所示，不同的焊接程序?qū)附託堄鄳?yīng)力的影響不同。 

先焊接加強(qiáng)肋然后從左至右焊接 先焊接加強(qiáng)肋然后從中心向兩邊對稱焊接 

2.5 焊縫尺寸對焊接殘余應(yīng)力的影響 

焊接過程中的局部高溫加熱和快速冷卻在焊縫中及其近縫區(qū)的母材內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)變和壓縮塑性應(yīng)變，進(jìn)而引起內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致構(gòu)件的縱向撓曲變形和角變形等。縱向撓曲變形與總的縱向收縮應(yīng)力（ ）有關(guān)：  

（3）  

式中： -縱向收縮應(yīng)力； -焊縫金屬斷面面積。  #p#分頁標(biāo)題#e#

縱向彎曲撓度（ ）計(jì)算公式如下：  

（4）  

式中： -縱向焊縫距試板重心的距離； -焊接試板的長度；  

-彈性模量； -焊接試板截面慣性矩。 

當(dāng)接頭形式和焊板尺寸、材料一定時， 為常數(shù)。即縱向撓曲變形和撓度與總的縱向收縮應(yīng)力相關(guān)，即與焊縫金屬斷面面積成正比。 

2.6 焊接熱輸入對薄板焊接變形的影響 

焊接熱輸入對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響已經(jīng)為大家所公認(rèn)，所以在保證焊縫成形良好的情況下，盡可能采用小的焊接熱輸入，從而保證得到小的焊接應(yīng)力和變形。如何控制焊接熱輸入包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度的合理選擇，對于TIME焊來說，還要考慮三元或四元保護(hù)氣體的配比。 

2.7 板厚的對焊接變形的影響 

隨著板厚的減少抵抗彎曲變形的性能降低，這也是薄板焊接變形控制困難的主要原因。 

3.變形控制工藝措施 

3.1 焊前控制措施 

(1) 剛性固定法是采用強(qiáng)制手段來減小焊后變形的。采用設(shè)計(jì)合理的組對組焊胎夾具，將焊件固定起來進(jìn)行焊接，增加其剛性，達(dá)到減小焊接變形的目的，保證裝配的幾何尺寸。當(dāng)薄板面積較大，焊縫較長時，可采用壓鐵法，分別放在焊縫兩側(cè)來減小焊接變形； 

(2) 焊接時待焊件間隙應(yīng)在保證焊透的情況下越小越好，切割熔渣與剪切毛刺應(yīng)清除干凈，以減小焊接變形； 

(3) 焊接之前應(yīng)采用較小直徑的焊條進(jìn)行點(diǎn)焊(定位焊)，增  

加焊件剛性，對減小焊接變形有利。 

3. 2焊后控制措施 

采用多點(diǎn)加熱的方式矯正薄板焊后的凹凸變形，加熱點(diǎn)直徑一般不小于15mm，加熱時點(diǎn)與點(diǎn)的距離應(yīng)隨著變形量的大小而定，一般在50～100mm之間。 

焊后消除殘余應(yīng)力熱處理法克服鋼制焊接構(gòu)件變形的研究表明，根據(jù)焊后熱處理消除殘余應(yīng)力機(jī)制，為防止薄板焊接構(gòu)件的焊后回彈變形，穩(wěn)定構(gòu)件尺寸，通過縫隙試樣、板條及板塊試樣強(qiáng)制變形焊接后再進(jìn)行熱處理，由此證明，焊后熱處理可有效地克服鋼制焊接構(gòu)件的變形。 

在焊后熱處理加熱時，之所以能夠通過塑性變形來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，消除殘余應(yīng)力，一方而是因?yàn)殡S著加熱溫度的升高。在一定溫度范圍內(nèi)，金屬材料的屈服強(qiáng)度和縱彈性模量將大幅度降低。從而使材料在該溫度下發(fā)生塑性變形滑移所需要的臨界切應(yīng)力減少，因此材料不再能支持該狀態(tài)下的殘余應(yīng)力，被迫進(jìn)行局部塑性變形。其應(yīng)力將降低到所在溫度的屈服強(qiáng)度水平。另一方面，在加熱過程中，還產(chǎn)生蠕變，從而可以產(chǎn)生附加的應(yīng)力松馳。在一定溫度范圍內(nèi)(普通低合金鋼約為450℃以上)，既使應(yīng)力遠(yuǎn)低于鋼在該溫度下的彈性極限，隨時間的延長，也會產(chǎn)生緩慢的應(yīng)力松馳。由于金屬在高溫下的蠕變特性，使金屬在應(yīng)力作用下通過蠕變產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)蠕變量與原始彈性變形量相當(dāng)時，應(yīng)力即被消除，  

結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀也得到穩(wěn)定。 

3.3焊接過程中控制措施 

焊前和焊后的控制措施大多需要專用的工藝裝備，在生產(chǎn)過程中增加了一道工序，并且受工件具體結(jié)構(gòu)的影響，這些工藝措施在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用具有一定的局限性。 

焊接過程中可以從以下兩個角度通過調(diào)整薄壁結(jié)構(gòu)的焊縫及近縫區(qū)熱應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)達(dá)到控制焊接殘余變形(主要針對縱向收縮引起的縱向撓曲)的目的。首先是減小加熱階段產(chǎn)生的縱向塑性壓應(yīng)變，這包括預(yù)拉伸法(機(jī)械拉伸、預(yù)置溫差拉伸)、等效降低熱輸入法(采用各類冷卻夾具、焊縫兩側(cè)預(yù)先沉積吸熱物質(zhì)、隨焊激冷及高能束焊接)和降低溫度梯度的均勻預(yù)熱法。其次是增大冷卻階段的縱向塑性拉應(yīng)變，這包括夾具的拘束、動態(tài)溫差拉伸(隨焊激冷)和靜態(tài)溫差拉伸。 

在以上各種方法中，溫差拉伸法不僅實(shí)施方便(僅調(diào)整溫度場)，而且通過選擇合理的工藝參數(shù)能夠靈活地控制拉伸程度及縱向塑性應(yīng)變的大小和性質(zhì)。 

另外須著重指出，隨焊激冷不僅作為一種動態(tài)溫差拉伸方法能夠減小焊接變形，而且它還可以作為一種反應(yīng)變法有效地防止焊接熱裂紋。適當(dāng)預(yù)熱夾具本身可以減小焊接變形，但更重要的是預(yù)熱使激冷造成了溫差拉伸，因此獲得了最小的焊接變形。 

對兩種形式的溫差拉伸控制鋁合金薄板焊接殘余變形的效果和規(guī)律進(jìn)行的研究表明，由隨焊激冷造成的動態(tài)溫差拉伸減小焊接變形的效果受夾具自身散熱條件的影響較大：不采用整體預(yù)熱時，難以造成馬鞍形溫度場，此時減小焊接變形的機(jī)理主要是焊接熱輸入的等效降低；采用整體預(yù)熱后，能夠造成一定程度的溫差拉伸，減小焊接變形的效果明顯提高。中間冷卻兩側(cè)加熱的靜態(tài)溫差拉伸能夠造成顯著的馬鞍形溫度場，充分發(fā)揮溫差拉伸的作用，有效地減小了焊接變形。靜態(tài)與動態(tài)溫差拉伸結(jié)合使用，獲得了最小的焊接變形。 

影響角焊中非平面變形的角變形是由于焊接過程中局部加熱區(qū)域的不同機(jī)理所引起的：(1)零件的熱膨脹取決于溫升的程度；(2)溫升所引發(fā)的屈服強(qiáng)度下降；(3)塑性變形所造成的膨脹松弛或周邊部位變形約束所引起的收縮；(4)冷卻過程中零件的收縮取決于溫升的程度，也就是說，影響角變形的重要因素為局部加熱時在板的寬度和厚度方向的溫度梯度及其在零件內(nèi)部所造成的相互約束。 

在焊接過程中采取的諸如相應(yīng)的夾具、強(qiáng)迫冷卻焊接區(qū)、減小焊接熱輸入或采用溫差法等方法雖然可以減小變形成在一定程度上降低殘余應(yīng)力水平，但很難做到消除變形或定量地控制殘余應(yīng)力水平。這是因?yàn)檫@些方法未能從根本上解決薄壁構(gòu)件焊接變形的特殊問題——主要是在焊接過程中產(chǎn)生失穩(wěn)變形。而薄壁構(gòu)件的低應(yīng)力無變形焊接法(Low Stress Non—Distortion Welding——簡稱LSND法)的原理是：采取措施阻止工件的瞬態(tài)面外失穩(wěn)變形，保證由可按的預(yù)置溫度場所提供的特殊溫差拉伸效應(yīng)。在焊接過程中該“拉伸效應(yīng)”一直跟隨焊接熱源，并對熱應(yīng)力應(yīng)變的產(chǎn)生和發(fā)展過程進(jìn)行實(shí)時而積極的定量控制。焊后，殘余應(yīng)力的峰值可以控制在低于臨界失穩(wěn)應(yīng)力的水平，工件保證了原有的平直狀態(tài)而不發(fā)生失穩(wěn)變形。 

LSND焊接法由于受所設(shè)置的預(yù)置溫度場和專用夾具的限制，目前只適于在直線焊縫上的靜態(tài)控制，而動態(tài)控制的LSND焊接法則可克服其“靜態(tài)”控制方面的局限性。這種方法采用可跟隨焊接熱源移動的熱潭裝置，形成一個熱源一熱潭多源系統(tǒng)，在焊接區(qū)產(chǎn)生局部可控的準(zhǔn)定常狀態(tài)溫度場和相應(yīng)的準(zhǔn)定常狀態(tài)熱彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變場，達(dá)到薄壁結(jié)構(gòu)動態(tài)控制的低應(yīng)力無變形焊接效果。