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摘 要：近年来，我国沿海地区随着我国经济建设的快速发展而发展迅速。船体结构的焊接变形控制是精度造船的重要组成部分，在提高船舶质量、缩短造船周期、节省成本等方面具有重要意义。焊接是船体结构生产必不可缺的连接手段，且焊接装配工作量占船体建造总工作量的2/3以上，而焊接变形是焊接过程中最难控制的一环。所以，焊接质量的优劣将直接影响船体制造精度和生产周期等。
关键詞：船体结构焊接变形;预测与控制研究
引言
随着我国经济建设的快速发展，我国各行业发展迅速。随着科学技术及造船工艺的不断发展，现我国船体结构构件间的连接主要依靠焊接完成。船舶的结构复杂多样，构件之间的连接种类非常多且数据大，焊接的质量直接影响了船体结构的建造质量及船舶安全，若船体结构发生较大变形，还会影响船舶的吃水，加大船体的阻力，甚至影响船舶的性能。为此，必须高度重视船体结构的焊接质量控制与检验。
1 船体结构焊接变形预测方法
（1）经验公式法，该方法是通过查找焊接手册上的经验公式和数据曲线估计焊接结构的变形量。这些经验是将在实验室对窄小板条的焊接变形试验结果进行归纳得出的，对于船体中大型复杂的板架结构具有很大的局限性。（2）理论解析法，20世纪40年代，奥凯尔勃洛姆等率先开展对焊接变形和残余应力的研究。针对一维条件下的应力应变过程，分析并建立确定焊接残余应力和变形的理论研究方法。此后，库兹米诺夫基于该方法进行深入研究并提出以残余塑变计算焊接变形的研究方法。该方法可以对其他方法（如数值分析法等）所得解的精确性进行校验。由于此方法建立在一些理想性假设上，故仅适用于较简单的焊接结构。（3）数值分析法，利用数值分析技术预测结构的焊接变形，可以考察结构性能指标与制造可行性，从而缩短研究和开发焊接工艺技术的周期，节约大量成本。近年来，数值分析法已成为船体结构焊接变形预测的主要手段。（4）基于数据挖掘的焊接变形预测法，由于传统的基于经验公式、数值分析的焊接预测技术在实际应用时存在一定的局限性，一些研究学者开始寻找其他方法，即从实际建造的大量数据中寻求规律和方法。数据挖掘技术中用于焊接变形预测的包括：人工神经网络、支持向量机、聚类分析等。基于ID3算法，建立决策树数据挖掘模型并应用于压力容器的焊接，证明该方法的准确性。利用支持向量回归的方法从大量的数据中总结规律，建立焊接变形的预测系统，其实际运行表明：该系统能够实现焊接变形的快捷预测和管理。提出一种基于模糊粗糙集理论的知识建模方法，结果表明：预测模型具有较高的推算精度，能够满足船体结构焊接变形预报与控制的要求。在大量数据挖掘方法中，人工神经网络技术在船舶焊接变形预测方面的研究最为成熟。采用人工神经网络模型解决板材线加热成形的逆问题，其使用板厚及四个固有变形分量作为输入参数求解线加热速度。
2 船体结构焊接质量及缺陷分析
船体结构所存在的焊接缺陷比较多，依焊缝位置不同，可将其分为内部缺陷和外部缺陷，其中内部缺陷主要包括气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合等情况;外部缺陷主要包括焊缝外形与尺寸与要求不符、咬边、焊瘤等情况。在船舶建造过程当中，影响船体结构焊接质量的原因有很多，如焊接设备及技术落后、焊接工艺参数设置不当、所使用材料质量不合格、坡口加工、天气情况等，任一环节的处理出现问题或未科学处理，都可能会产生焊接缺陷，影响焊缝质量。
3 船体结构焊接变形控制方法
3.1 结构增加刚性
由于船体在建造过程复杂，所以在分段制作等阶段中必然要面对较多的较薄结构件的焊接，而若在这些梁等结构件若出现较大的尺寸误差，将直接引起后期的拼装误差等。对于焊接变形而言，完全消除焊接变形是不可能的，在大型散货船的船体结构分段中，焊道分布可能具有非常明显的不规则性，难以通过合理的安排焊接顺序去控制变形。在这种情况下，为了防止焊接变形超过标准的允许值范围或是设计范围，考虑添加刚性固定，可有效的降低焊接过程中的变形。以较薄的梁型结构为例，借助有限元技术对是否增加刚性固定的结构分别进行计算，可以看出如果结构件直接进行角焊缝的焊接，将导致两侧的翼板端部出现严重的变形量，采用支撑对翼板进行连接固定，再进行角焊缝焊接就不会产生如此明显的翼板变形现象，焊接完成后可以将起固定作用的支撑去除，由于此时焊接已经完成，刚性较大，所以去除支撑也不会造成明显的回弹。
3.2 制造工艺方面
（1）在实施无装配应力的强制下进行船体的装配;（2）使用自动埋弧焊与其他相关的气体保护焊等工艺;（3）选择科学合理的焊接规范参数以及在装配焊接的顺序过程。在对焊接的工艺方面尽量选择更加科学合理的刚性的固定方式或者反变性的方式。预留一部分的收缩量，使用刚性固定法以及反变性法师对焊接过程中出现形变状况的基本方式。预留一定的收缩量主要是为了在生产过程中弥补在焊接过后的尺寸的缩短量，预先考虑到实际的收缩量。具体的大小可以通过经验公式来进行估计。刚性固定法是造船企业中经常使用的一种对焊接变形进行控制的方式，主要是构件当中的固定在足够的刚性平台上或者是台架上，等到焊接部件上面所有的焊接缝达到充分冷却的时候，再将外部的胎架去掉;通过这种方式可以将构件上产生的变形大小在自由状态下的产生的形变进行有效的控制。船体在实施焊接装配过程中经常会遇到各种类型的刚性的固定方式，比如临时的固定筋板、临时的点焊加固以及分段周围的定位焊、船体分段加固以及台架螺栓连接等方式。
3.3 反变形法
反变形法是先估算好焊件变形的大小和方向，然后在装焊前通过工装夹具或点焊等措施给构件施加相反的人为变形，以此来抵消焊接变形。 通过对不同热源、不同板厚的结构分别进行热弹塑性有限元模拟，研究焊接结构的弹性反变形规律，证明反变形法的有效性。基于有限元模型自行设计弹性反变形工装，对反变形工装的连接杆进行数值模拟，有效地控制焊接变形。采用变曲率法和等曲率法2种方法简化处理反变形量，进行T型接头焊接变形控制研究，结果表明：以变曲率的形式施加反变形，构件的焊后平整度更好。
3.4 厚板高效埋弧焊方法
埋弧焊诞生于20世纪初期，经过几十年的发展，己经广泛的被应用于桥梁建设、船舶制造业、海洋平台建设等大型化的钢结构建造中，在这些大型化的机械制造业中，埋弧焊在厚板焊接中占据了举足轻重的地位。现代化的生产中，提高生产效率，缩短生产周期才是人们永恒的追求，所以单丝埋弧焊远远己经满足不了现代生产的需要，提升埋弧焊的生产效率迫在眉睫。在上个世纪中，多丝埋弧焊首次进入了人们的视线，这种焊接方法有效的提高了生产效率。随着多丝埋弧焊的提出，经过焊接技术人员的不断努力，多丝埋弧焊己经可以通过改变坡口形式、焊丝的间距及排列顺序、在焊缝中加入一定的合金粉末等方法来提高熔敷金属的金属量，提升焊接的生产效率。
4 结语
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。
参考文献
[1]李婧.大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用5000t多用途船货舱双尾底结构焊接变形预测[D].上海：上海交通大学，2016.
[2]李娅娜.焊接变形预测与控制的数值方法研究及工程应用[D].大连：大连交通大学，2015.
关键詞：船体结构焊接变形;预测与控制研究
引言
随着我国经济建设的快速发展，我国各行业发展迅速。随着科学技术及造船工艺的不断发展，现我国船体结构构件间的连接主要依靠焊接完成。船舶的结构复杂多样，构件之间的连接种类非常多且数据大，焊接的质量直接影响了船体结构的建造质量及船舶安全，若船体结构发生较大变形，还会影响船舶的吃水，加大船体的阻力，甚至影响船舶的性能。为此，必须高度重视船体结构的焊接质量控制与检验。
1 船体结构焊接变形预测方法
（1）经验公式法，该方法是通过查找焊接手册上的经验公式和数据曲线估计焊接结构的变形量。这些经验是将在实验室对窄小板条的焊接变形试验结果进行归纳得出的，对于船体中大型复杂的板架结构具有很大的局限性。（2）理论解析法，20世纪40年代，奥凯尔勃洛姆等率先开展对焊接变形和残余应力的研究。针对一维条件下的应力应变过程，分析并建立确定焊接残余应力和变形的理论研究方法。此后，库兹米诺夫基于该方法进行深入研究并提出以残余塑变计算焊接变形的研究方法。该方法可以对其他方法（如数值分析法等）所得解的精确性进行校验。由于此方法建立在一些理想性假设上，故仅适用于较简单的焊接结构。（3）数值分析法，利用数值分析技术预测结构的焊接变形，可以考察结构性能指标与制造可行性，从而缩短研究和开发焊接工艺技术的周期，节约大量成本。近年来，数值分析法已成为船体结构焊接变形预测的主要手段。（4）基于数据挖掘的焊接变形预测法，由于传统的基于经验公式、数值分析的焊接预测技术在实际应用时存在一定的局限性，一些研究学者开始寻找其他方法，即从实际建造的大量数据中寻求规律和方法。数据挖掘技术中用于焊接变形预测的包括：人工神经网络、支持向量机、聚类分析等。基于ID3算法，建立决策树数据挖掘模型并应用于压力容器的焊接，证明该方法的准确性。利用支持向量回归的方法从大量的数据中总结规律，建立焊接变形的预测系统，其实际运行表明：该系统能够实现焊接变形的快捷预测和管理。提出一种基于模糊粗糙集理论的知识建模方法，结果表明：预测模型具有较高的推算精度，能够满足船体结构焊接变形预报与控制的要求。在大量数据挖掘方法中，人工神经网络技术在船舶焊接变形预测方面的研究最为成熟。采用人工神经网络模型解决板材线加热成形的逆问题，其使用板厚及四个固有变形分量作为输入参数求解线加热速度。
2 船体结构焊接质量及缺陷分析
船体结构所存在的焊接缺陷比较多，依焊缝位置不同，可将其分为内部缺陷和外部缺陷，其中内部缺陷主要包括气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合等情况;外部缺陷主要包括焊缝外形与尺寸与要求不符、咬边、焊瘤等情况。在船舶建造过程当中，影响船体结构焊接质量的原因有很多，如焊接设备及技术落后、焊接工艺参数设置不当、所使用材料质量不合格、坡口加工、天气情况等，任一环节的处理出现问题或未科学处理，都可能会产生焊接缺陷，影响焊缝质量。
3 船体结构焊接变形控制方法
3.1 结构增加刚性
由于船体在建造过程复杂，所以在分段制作等阶段中必然要面对较多的较薄结构件的焊接，而若在这些梁等结构件若出现较大的尺寸误差，将直接引起后期的拼装误差等。对于焊接变形而言，完全消除焊接变形是不可能的，在大型散货船的船体结构分段中，焊道分布可能具有非常明显的不规则性，难以通过合理的安排焊接顺序去控制变形。在这种情况下，为了防止焊接变形超过标准的允许值范围或是设计范围，考虑添加刚性固定，可有效的降低焊接过程中的变形。以较薄的梁型结构为例，借助有限元技术对是否增加刚性固定的结构分别进行计算，可以看出如果结构件直接进行角焊缝的焊接，将导致两侧的翼板端部出现严重的变形量，采用支撑对翼板进行连接固定，再进行角焊缝焊接就不会产生如此明显的翼板变形现象，焊接完成后可以将起固定作用的支撑去除，由于此时焊接已经完成，刚性较大，所以去除支撑也不会造成明显的回弹。
3.2 制造工艺方面
（1）在实施无装配应力的强制下进行船体的装配;（2）使用自动埋弧焊与其他相关的气体保护焊等工艺;（3）选择科学合理的焊接规范参数以及在装配焊接的顺序过程。在对焊接的工艺方面尽量选择更加科学合理的刚性的固定方式或者反变性的方式。预留一部分的收缩量，使用刚性固定法以及反变性法师对焊接过程中出现形变状况的基本方式。预留一定的收缩量主要是为了在生产过程中弥补在焊接过后的尺寸的缩短量，预先考虑到实际的收缩量。具体的大小可以通过经验公式来进行估计。刚性固定法是造船企业中经常使用的一种对焊接变形进行控制的方式，主要是构件当中的固定在足够的刚性平台上或者是台架上，等到焊接部件上面所有的焊接缝达到充分冷却的时候，再将外部的胎架去掉;通过这种方式可以将构件上产生的变形大小在自由状态下的产生的形变进行有效的控制。船体在实施焊接装配过程中经常会遇到各种类型的刚性的固定方式，比如临时的固定筋板、临时的点焊加固以及分段周围的定位焊、船体分段加固以及台架螺栓连接等方式。
3.3 反变形法
反变形法是先估算好焊件变形的大小和方向，然后在装焊前通过工装夹具或点焊等措施给构件施加相反的人为变形，以此来抵消焊接变形。 通过对不同热源、不同板厚的结构分别进行热弹塑性有限元模拟，研究焊接结构的弹性反变形规律，证明反变形法的有效性。基于有限元模型自行设计弹性反变形工装，对反变形工装的连接杆进行数值模拟，有效地控制焊接变形。采用变曲率法和等曲率法2种方法简化处理反变形量，进行T型接头焊接变形控制研究，结果表明：以变曲率的形式施加反变形，构件的焊后平整度更好。
3.4 厚板高效埋弧焊方法
埋弧焊诞生于20世纪初期，经过几十年的发展，己经广泛的被应用于桥梁建设、船舶制造业、海洋平台建设等大型化的钢结构建造中，在这些大型化的机械制造业中，埋弧焊在厚板焊接中占据了举足轻重的地位。现代化的生产中，提高生产效率，缩短生产周期才是人们永恒的追求，所以单丝埋弧焊远远己经满足不了现代生产的需要，提升埋弧焊的生产效率迫在眉睫。在上个世纪中，多丝埋弧焊首次进入了人们的视线，这种焊接方法有效的提高了生产效率。随着多丝埋弧焊的提出，经过焊接技术人员的不断努力，多丝埋弧焊己经可以通过改变坡口形式、焊丝的间距及排列顺序、在焊缝中加入一定的合金粉末等方法来提高熔敷金属的金属量，提升焊接的生产效率。
4 结语
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。
参考文献
[1]李婧.大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用5000t多用途船货舱双尾底结构焊接变形预测[D].上海：上海交通大学，2016.
[2]李娅娜.焊接变形预测与控制的数值方法研究及工程应用[D].大连：大连交通大学，2015.