基于固有变形的薄板船体结构焊接失稳变形研究综述

薄板船体结构在建造过程中,不仅会产生焊接变形,而且可能产生焊接失稳变形。基于薄板焊缝的固有变形,论述焊接结构失稳变形发生的机理,计算失稳变形模态和变形值以及失稳发生时的临界焊接工艺和固有变形。最后,对预防和控制薄板船体结构焊接失稳的措施进行了归纳。

加强筋薄板船体结构的焊接失稳变形预测与控制

高强钢(HTSS)薄板结构可很好地解决船体结构的自重问题,但在焊接组装时,焊缝处的收缩力很可能使其发生焊接失稳。以T型焊接接头为研究对象,应用热弹塑性有限元分析和大变形理论,给出焊接失稳模态、变形量和发生失稳的临界条件,提出相应的控制措施。

板架结构焊接失稳变形的预测及瞬态热拉伸消除

板架结构作为船舶或者海洋结构的典型部件,其焊接过程导致的失稳变形是困扰建造精度和生产效率的关键问题。以常见的由纵向角钢和横向T型材构成的板架结构为研究对象。首先总结出焊接过程中的典型接头,建立实体单元模型进行热-弹-塑性有限元分析获得焊接固有变形。随后将焊接固有变形作为力学载荷,加载到板架结构壳单元模型中进行特征值分析和弹性有限元分析,研究该工艺下板架结构的焊接失稳变形特征。同时通过瞬态热拉伸工艺控制板架结构的焊接失稳变形,并研究附加热源施加位置的影响。结果表明,瞬态热拉伸能够影响典型接头的固有变形,特别是减小焊接产生的纵向收缩力。合适的位置施加附加热源可以避免板架结构产生焊接失稳变形;当附加热源施加到距离立板100 mm处的底板上,板架结构没有出现波浪变形,且面外变形峰值减小了49.3%。

基于压条拘束的薄板接头焊接失稳控制

将焊接试验与数值模拟相结合,对采用压条拘束控制的2种典型焊接接头失稳变形机理进行了研究。基于热-弹-塑性有限元方法,分别再现5mm厚对接接头和T型接头在常规自由态和压条拘束下的焊接过程,将2种接头计算得到的面外变形与焊接试验后测量的面外变形进行对比,从而验证所采用的有限元计算方法的准确性。分别计算对接接头与T型接头在不同压条拘束距离下的面外变形,并分析拘束距离对2种接头焊接失稳变形的控制效果;比较不同拘束距离下接头的焊接温度场及固有变形,阐明压条拘束控制2种焊接接头失稳变形的机理。结果表明:施加压条拘束使对接接头的纵向固有收缩和横向固有弯曲均减小,从而控制其焊接失稳变形;T型接头施加压条拘束后,几乎不影响纵向固有收缩,但使得横向固有弯曲显著减小,从而达到控制焊接失稳变形的效果。

超声喷丸处理矫正5A06铝合金焊接结构失稳变形（英文）

提出利用超声喷丸处理(USPT)矫正焊接失稳变形的方法。应用X射线衍射仪测量喷丸区域厚度方向的残余应力分布。应用扫描电镜(SEM)分析USPT处理后试样的显微结构。测量了超声喷丸处理之前焊接接头不同区域和喷丸处理之后焊缝厚度方向的显微维氏硬度。试验结果表明5A06铝合金对接接头的焊接失稳变形经超声喷丸处理后基本得到矫正,平均矫正率达到90.8%。而且由于加工硬化,超声喷丸处理使试样得到强化。喷丸区域的显微结构得到改善并且析出物和晶粒的分布呈现明显的取向性。

基于固有变形的船用钢薄板对接焊失稳变形的数值分析

以焊缝的固有变形为依据,阐明船用钢薄板对接焊失稳变形产生的内在机理。同时,以固有变形为输入参数,通过弹性有限元分析的数值模拟,预测出可能产生的失稳变形模态和变形值。最终通过4种不同的工艺方法(激光焊、瞬态热拉伸、随焊激冷和间断焊)来减小固有变形的数值,并控制薄板对接焊接头可能产生的失稳变形。

关于焊接数值模拟的文献

随焊高速气流场辅助高强铝合金薄板焊接应力演变及控制变形机理/周广涛,等.焊接学报,2023,44(2):32-39.摘要:从力学角度出发提出了“随焊高速气流场”柔性控制高强铝合金薄板焊接失稳变形的新方法,研究了该方法控制2A12高强铝合金薄板焊接变形的有效可行性,分析了随焊高速气流载荷对薄板应力演变规律的影响,阐明了其控制焊接残余应力及变形机理。基于有限元法分析了温度场及应力场,确定了气动载荷与热源作用距离这一关键因素,并获得了气体压力的合理有效范围。

瞬态热拉伸强度对304L不锈钢焊接变形影响的计算分析

薄板焊接极易产生失稳变形,严重影响到薄板焊接结构件的生产效率和制造成本。以304L不锈钢薄板对接焊为研究对象,通过试验观察到马鞍形变形模式,并利用三维光学扫描仪测量焊接面外变形的大小。随后进行热-弹-塑性有限元分析再现焊接变形的过程,测量结果与基于大变形理论的数值计算结果基本吻合,而与基于小变形理论的计算结果差别很大,进一步验证失稳变形的产生。同时,在距离焊缝中心110 mm处施加随焊移动的辅助热源实现瞬态热拉伸来控制失稳变形,并研究了附加热源强度的影响。结果表明,瞬态热拉伸减小母材对焊缝处加热过程的压缩效应和冷却过程的拉伸效应,且附加加热区域会产生残余压缩塑性应变,降低了母材自身的纵向拘束度,从而降低焊接压应力和变形;并且附加加热区域最高温度达到195℃和273℃时,沿焊缝方向面外变形最大值分别减小了80%和72%,很大程度控制了焊接失稳变形。