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开眼界!国外大型舰船建造的焊接变形与控制

从目前至未来相当长的一段时间内,大型舰船的结构材料将仍以金属材料(尤其是钢材)为主。当前,随着舰船对有效负载能力和抗损能力要求的不断提高,建造时大量采用高强度薄板已成为趋势。由于高强度薄板在焊接时更易出现变形,因而解决焊接变形的问题越来越重要。

一、焊接变形的影响

焊接变形所带来的影响主要体现在两方面:

1、舰船无法实现设计性能要求

现在,舰船的隐身性能已成为衡量舰船先进性的重要指标。为了实现舰船的隐身性,除了在设计上考虑外,在建造上也要采取一定的措施,控制焊接变形就是其中一个重要的方面。这是由于钢板的焊接变形会破坏壳体表面的平整度,降低舰船的雷达隐身性能。

如图1所示,左边是经过变形矫正等处理后船体表面较平整时的雷达波反射情况,中间是未经过平整处理的船体表面雷达波反射情况,右边是凸凹不平的船体表面示意图。从图中可以看出,表面平整时,雷达波反射是呈规律性的,可控;但若表面平整度不好,则雷达波呈散射状态,不可控,会极大地削弱舰船雷达隐身措施的效果。

图1 船体表面不平对雷达隐身性能的影响

2、工期和成本控制风险加剧

目前钢板焊接变形的处理普遍采用火焰矫正工艺,该工艺的实施以大量的样品试验和工人良好的工艺技能为基础。样品试验不仅耗费时间和人力,样品本身的耗费就是一笔不小的开销;而且在矫正过程中对工人经验值的依赖程度也很高。如美国“尼米兹”级航母的建造中,每艘舰用在火焰矫正上的费用就达700~1100万美元。而且,“福特”级航母的首舰“福特”号(CVN 78)采用了HSLA-115高强度低合金钢,该钢的强度比“布什”号(CVN 77)中所用的钢板更高(采用这种钢可以将飞行甲板的重量降低200吨左右),使得该航母在建造中的变形修正工作量增加了约30%。

鉴于焊接变形对舰船的影响,许多国家都已积极开展相关研发工作。美国早在1993年9月就启动了名为“薄板钢结构焊接变形控制”的项目,参与的单位不仅包括美国的大型军船建造商如纽波特纽斯船厂、巴斯钢铁公司,也包括爱迪生焊接研究所、海军水面战中心卡蒂洛克分部等。该项目的研究成果不仅有焊接工艺的优化,也包括焊接变形的预测和控制,目前成果已经广泛的应用于美海军大型舰船如DDG-51驱逐舰、LPD-17两栖船坞运输舰、DDG-1000驱逐舰等的建造中。

二、焊接变形预测

焊接变形的预测是通过数值建模、计算,模拟特定钢结构在一定的焊接工艺下所产生的变形,并将变形量以数值的方式呈现出来。

焊接变形的预测一方面可以优化焊接工艺和焊接接头的结构设计形式,另一方面也可以作为焊接过程变形控制或焊后矫正的依据。

目前,焊接变形的预测基本采用有限元数值建模计算的方法来实现。焊接预测能够降低甚至完全消除焊后矫正时试验样品的使用量,从而实现材料和人工成本的降低。根据美国纽波特纽斯船厂提供的数据,采用有限元焊接变形数值预测技术可将每艘航母建造中的火焰矫正工作量降低30%~50%,每艘舰最少可节省350万美元。

图2 焊接预测模型

(图中左上角为四周变形测量的基准点,黑色箭头表示测量点选取时的顺序。)

在焊接变形预测数值方法中,三维弹塑性有限元分析方法(3D EPA)和美国爱迪生焊接研究所开发的快速预测法Q-WELDTM应用效果较为显著。

对于同一种焊接结构建模(如图2所示),从两种方法预测结果的对比图可以看出,两种方法所得的变形预测结果具有很好的一致性。尽管如此,这两种方法还是有实质性的差异,即在预测的效率上相差较大。

从表1中可以看出,爱迪生焊接研究所开发的Q-WELD方法能够在保证准确性的前提下极大地提高变形预测速度,实现快速预测。

图3 三维弹塑性和Q-WELD方法的焊接预测结果对比

表1 三维弹塑性和Q-WELD方法比较

 

数值方法

单元数

节点数

所需时间

3D EPA

11444

14998

约52小时

Q-WELD

2148

2292

约4分钟

三、焊接变形控制

焊接变形的控制可以通过控制焊接时的热量输入、局部加热或者周边固定等方法来实现。其中,周边固定方法是较传统的控制方法,会使板材内部产生应力。低热量输入焊接和局部加热是目前研究的热点,而且这两个领域在舰船建造中的应用均有突破。

1、低热量输入焊接

根据美国海军连接中心和美国爱迪生焊接研究所与美两大军工造船集团联合研究的成果,薄板焊接中,翘曲变形较小的焊接工艺主要有以下三种:

一是Tandem双丝熔化极气体保护焊。Tandem双丝焊中的两个焊丝以一定角度前后排列,分别由各自的电源供电,相互绝缘,送丝速度、焊丝直径等等所有参数都彼此独立,这样可以将两个电弧的相互干扰降到最低。Tandem双丝焊接时,前丝焊接电流较大,有利于形成较大的熔深,后丝电流稍小,起到填充盖面的作用。这种焊接工艺可显著降低舰船建造中高强度钢的焊接费用,可将人力成本降低50%;熔敷速度是常规机械式气保焊的2到3倍,而且焊接变形小。

图4 Tandem双丝熔化极气体保护焊焊枪(左)和施工示意图(右)

Tandem双丝熔化极气体保护焊在薄板焊接中的优势引起了美国海军连接中心与制造技术中心的极大关注,这两家单位与纽波特纽斯船厂合作,开展了一项主要针对“福特”号航母高强度薄板(3-10mm)焊接研究。目前,纽波特纽斯船厂已经在“福特”号航母的建造中应用了该工艺。根据海军连接中心的数据,此项工艺可以为“福特”号航母节省约75万美元。

二是激光-熔化极气保焊混合焊接。激光焊焊接速度快,熔深大;但激光的光斑直径小,对工件的装配间隙要求较高。而熔化极气保焊由于热影响区相对较大且有填充金属的介入,容易形成焊接接头,并且能够根据材料的不同选择填充金属以改良材料性能;但该工艺所产生的焊缝熔深有限。

图5 激光-熔化极气保焊混合焊焊接示意图(圆锥形的为激光光柱)

激光-熔化极气保焊混合焊接融合了激光焊与熔化极气保焊的优点,将这两种焊接工艺结合,既能保证焊接时具有一定熔深,还能提高焊接速度,并且在冷却时提供更好的焊缝微观结构。激光-熔化极气保焊混合焊可以将船体肋骨的焊接结构重量降低20%到50%;与双面熔化极气保焊相比,混合焊的焊接速度是后者的1.5倍,而热量输入仅仅为后者的30%。

三是搅拌摩擦焊技术。搅拌摩擦焊是利用圆柱形的焊头高速旋转与工件端面摩擦产生热,使工件端部达到热塑性状态,然后完成焊接。在焊接过程中,焊头一边高速旋转一边沿工件的接缝与工件相对移动,焊头前面那些由于受热发生强烈塑性变形的材料会随着焊头的移动流向焊头的后面,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊热量输入小,变形小;接头机械性能好;固态连接不会产生铸造组织缺陷;焊接过程中不需要气体保护,不需要焊条和焊料,且焊接过程中的搅拌和摩擦可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质。

2、焊接过程中局部加热控制变形

焊接过程中,根据焊接变形预测的结果,在局部外加热源可达到减轻或抵消焊件变形的目的,降低后期矫正的费用。

瞬态加热张紧(TTT)工艺能通过外加热源较好地控制局部变形。瞬态加热张紧工艺最早的演示验证是1999年在在诺•格公司下属船厂建造的“阿利•伯克”级驱逐舰上进行的。2003年3月,爱迪生焊接研究所与诺•格公司一起,参与了美国海军研究署主导的“舰船轻质结构应用”项目,并在大量舰船用钢板上进行了TTT工艺试验,取得成功。随后,美国海军舰船建造技术中心投资,在当时诺•格公司下属的船厂展开了“舰船薄板结构加热张紧”计划,并最终将该工艺应用于美舰船的建造中。

瞬态加热张紧的局部加热主要靠旁侧加热器实现。操作时,加热器与焊炬之间保持一定的距离,加热器的行走速度与焊炬的前进速度保持一致。该工艺对于焊接变形的控制具有很好的效果,焊接完成后的工件不需要淬火。瞬态加热张紧工艺的关键参数包括:旁侧加热器的大小、位置、行走速度以及热密度。

图6是瞬态加热张紧工艺实施的效果图,图中左边是焊件(由钢板和加强筋构成,钢板由两块DH-36钢板拼接而成,其上焊8根AH-36的加强筋)。图7右边是瞬态加热张紧的效果图(右下图是在焊接过程中采用了瞬态加热张紧工艺,右上图是没有采用此工艺的焊后变形情况)。从图7中可以看出,右上图(未采用TTT工艺)上边缘的变形量在45毫米左右,局部甚至达到了65毫米;而右下图同样位置的区域变形量基本控制在10毫米左右,局部区域变形量为20毫米。

图6 瞬态加热张紧操作示意图(左)和现场操作图(右)

图7 瞬态加热张紧效果对比图

四、小结

舰船建造中,钢结构的焊接变形已经成为影响船厂效益和舰船性能的重要因素;而且,随着未来舰船作战性能(如隐身、防护等)要求的提高和成本控制压力的加大,各国对舰船建造过程中钢结构焊接变形的研究也给予了高度关注。

目前,低热量输入焊接方法和焊接过程中局部加热对焊接变形的控制效果较为显著。而且,在计算力学和焊接预测技术的发展推动下,瞬态加热张紧等可在焊接过程中同步控制变形的工艺已经成为焊接变形控制领域最具发展前景的分支,这些技术的发展将极大地促进舰船建造技术的进步。

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