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摘要：综述船体结构焊接变形预测与控制技术的研究进展。分析各种焊接变形预测和控制方法的特点，重点阐述几种预测方法：基于有限元分析的热弹塑性法和等效载荷法，以及基于数据挖掘的焊接变形预测法。同时，概括了几种船体结构焊接变形的控制方法：双丝旁路耦合电弧熔化极气体保护焊、激光－电弧复合焊接技术和搅拌摩擦焊等先进焊接技术，优化焊接工艺参数、改变焊接顺序、改变约束方式等焊接工艺措施，以及施加反变形、控制温度场、综合分析等。相信近几年大数据、深度学习、机器人等领域的高速发展也会给船舶行业带来更成熟、有效的预测理论及更精确的变形控制技术。
关键词：船体结构；焊接变形；预测；控制技术；进展；
引言
船舶精度建造技术就是通过科学的管理与先进的工艺手段对船体建造进行全过程的精度分析与控制，最大限度地减少现场修正工作量，提高工作效率，缩短建造周期，降低建造成本，保证产品质量。影响船舶建造精度的因素很多，如下料、成型、吊装、焊接等。其中，焊接变形是精度控制的关键因素。
焊接与铆接船舶相比，简化了船体结构，减轻船体重量约 20%。由于工艺简化和自动化装备的应用降低了船体建造成本，缩短了建造周期、但是，焊接也存在一些缺点，要是焊接后船体结构的尺寸和形状发生变化。
焊接变形使船体装配和焊接大大复杂化，在零件加工、部件装配 、分段装配 、总段装配和船体合拢等过程都要预留余量，并在对应的装配工艺前进行切割，保证船体结构的精度。由于船体是三维结构，预留余量只能提高某个方向的精度，无法控制另外 2个方向的精度。此外，对于舰船产品，纵骨和内、外板交错布置，修整工作难度较大。为了减少或消除焊接变形，焊接矫正成为控制焊接变形的常用手段，但它们显著提高了制造成本。
1.船体结构焊接变形预测方法
焊接变形严重影响船体结构的建造精度，因此预测变形的分布情况和数值大小成为精度造船的重要研究内容。至今，预测焊接变形方法可归纳为：经验公式法、理论解析法、数值分析法和基于数据挖掘的焊接变形预测方法。
1.1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。包括焊缝的纵向变形、横向变形、角变形量等。但是，这些经验公式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。
1.2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。
1.3固有应变法
固有应变法也是预测船体结构焊接变形常用的方法之一，固有应变法能够对大型的船舶进行研究，主要是对船体中出现的焊缝进行研究，避免出现的焊缝影响到船体的运行。另外固有应变法也会影响到船体的整体运行，同时对船体出现的焊缝进行修改，避免严重的缝隙影响到船体的运行，但是需要花费的时间成本较大。为了更好地提高固有应变法的效率，在使用固有应变法之前，有必要对船舶产品进行相应的了解，了解船体的焊接方式，焊接材料，焊接工艺以及尺寸形状，从而更好地对船舶产品进行准确的了解，为船舶产品的焊接变形的控制理论提供依据。
1.4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。
1.5热弹塑性有限元分析方法
热弹塑性有限元分析法考虑了焊接材料的非线性，能够动态跟踪应力应变过程以及焊后的残余应力与变形，研究覆盖了焊接过程的各个方面，包括焊接方法、焊接材料、焊接接头形式和焊接参数等信息，可以较准确地仿真整个焊接过程。
2.船体结构焊接变形控制技术研究的方法
2.1焊接方法
在船体结构焊接工作中，非常重要的一种工具就是移动电弧，最常使用的焊接方式主要有以下几种，一种是手工焊，一种是二氧化碳保护焊，一种是自动埋弧焊。通常，手工焊的热量集中度并不是很高，同时其在热强度方面也相对较弱，因此也会使得焊接中的变形情况和参与的应力不断的增大。所以在船体结合焊接的过程中，我们尽量不要使用手工焊接的形式，应该尽量使用二氧化碳保护焊和自动埋弧焊。
2.2控制焊接工艺方案
在船舶制造的过程中，选择科学合理的焊接工艺方案能够有效地减少焊接变形，它也是所有方法当中最为有效的一种方法，其中，焊接工艺的操作顺序也会对变形产生非常重大的影响，弯曲变形尤其明显。在船舶制造的过程中，选择更加完善的工艺顺序可以有效地减少弯曲变形的情况，比如说纵向构架的双层底结构就在选择方案的时候就应该选择正态建造方案，同时分段的最大挠度也应该是反态建造方案的 50%。
2.3反变形法
反变形法是根据实验或理论计算预测焊接变形的大小和方向，在焊接前对船体构件或胎架施加与焊接变形方向相反的预变形，以此抵消焊接变形。反变形法可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。例如，在船体分段的胎架制作时，对胎架的结构进行反变形，有效地降低焊接变形。
2.4控制温度场
焊接温度场决定了焊接结构的残余应力和焊接变形，焊接过程强制对流换热可以减少焊接热量，减少焊接变形。散热法对焊接区域进行强制冷却，快速除去焊接区域的热量，在造船行业具有广泛的应用前景。
2.5矫正焊接结构
船体结构在焊接后加以矫正不是理想的措施，只有分段、总段或船体合拢后总的或局部变形超过许可范围才建议矫正。常用的矫正方法有用机器或者工具矫正焊缝附近被焊构件的局部或总变形，以及用火工矫正法矫正总的和局部焊接变形。矫正法容易引起新的变形，恶化被焊构件的材料性能。
2.6系统综合分析法
除了上述提到的众多影响船体结构焊接变形的因素外，在实际建造过程中还要考虑焊接作业环境、材料属性等因素，只改变某一种因素很难达到预期效果。所以，需对整个焊接过程进行监控，以结构的最终焊接变形为目标，以影响焊接变形的各种关键因素为参数，建立函数，统筹分析，这才是研究复杂船体结构焊接变形的最佳方案。
3.结束语
船体焊接变形的方法会一定程度影响到船舶的发展，并且其中的方法和规律还需要不断的深入研究，探索其中的规律和方法，从而成功地制造出质量可靠的船舶。虽然当前的理论研究尚不能满足精度造船的需求，但是通过对实际船舶的研究，结合实际的情况来对船体的建造进行探索，才能够准确了解船体的建造规律，提出更好的建造方法，提高船舶的完整性和精确度。本文通过对船体结构焊接变形预测方法进行研究，能够有效地掌握船体结构的焊接变形的方法，从而有效地提高船体结构的精确度。
参考文献
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