第四章 船体焊接中的力学问题

/第四章船体焊接中的力学问题船体是一种典型的大型焊接结构.船体结构复杂、刚性大，船体中各种纵、横构件相互交叉、相互连接,尤其是首尾部分还有不少曲型结构。这些构件用焊接连接成一体，使船体成为一个整体结构。一旦某一焊缝或结构中不连续处产生微小裂纹，在应力的作用下,就会迅速扩展到相邻构件，造成部分结构乃至整个船体发生破坏。另外,焊接应力导致的焊接变形直接影响船体结构的质量（尤其是船体的薄板上层建筑)等。这些都是焊接力学研究的问题。随着包括船体结构在内的焊接结构大型化、精密化、高参数化和材料多样化的发展，对船体结构的质量要求也越来越高，从而推动了焊接力学的发展。例如，关于焊接应力与变形的数值分析研究,目前已发展成为一门新的专门学科“计算焊接力学"。低应力无变形焊接技术的开发,对于焊接弹塑性力学过程现象的计算机仿真，预示着焊接应力与变形是可以精确控制的，不再是不可避免的。同样，在焊接接头断裂力学研究方面也取得了很大的进展。焊接力学的进展，反过来促进包括船体结构在内的焊接结构建造质量和安全可靠性的进一步提高。船舶焊接所涉及的力学问题复杂，目前尚未见针对造船的焊接力学专著。本章引用霍立兴编著的《焊接结构工程强度》（机械工业出版社）；王家麟、侯贤忠主编的《球形储罐焊接工程技术》（机械工业出版社)和孙志雄编的《焊接断裂力学》（西北工业大学出版社）等书的内容,结合船舶建造的实际进行编写，读者若想对所涉及的问题深入了解，可阅读上述书籍。结构焊接力学行为４。1.1焊接接头类型在焊接结构中可采用不同形式的焊接接头。具体地说，对接接头、Ｔ型接头、角接头和搭接接头是焊接接头的基本类型。在不同的结构标准中,对不同接头形式均有具体规定，本节所引用的是其通用形式。对接接头：不同板厚的对接接头如图4。1所示.薄板对接接头(B≤3mm）可采用卷边接头或采用不开坡口单面焊缝(B〈6mm），板厚增加，可采用带垫板的不开坡口的单面焊缝接头，但推荐采用不带垫板的双面焊缝对接接头(图4.１（d））。为了保证焊透，对接接头可在单面开坡口或双面开坡口后焊接,具体的坡口可以是V形、U形、Ｘ形和K形（图４．1（e)～（h）)。Ｔ形接头：它同样有开坡口和不开坡口等形式，在该类接头中,采用不开坡口角焊缝施焊类型应用的最广泛，其焊脚尺寸有采用等脚的,也有采用不等脚的。角接头:其特性介于对接接头和T形接头之间，其焊缝有的接近于对接焊缝，有的接近于角焊缝或就是角焊缝。搭接接头：搭接接头一般采用角焊缝施焊形成。塞焊也是焊接搭接接头方法。很明显,作为焊接接头主要组成部分的焊缝,主要分为对接焊缝和角焊缝。焊缝表面形状往往呈平面形或上凸形，在角焊缝中还可见到下凹形。上凸焊缝从表面上看似乎加强了焊缝，实际上上凸焊缝对接头的工作是不利的。由于传力线的歪扭,在焊缝向基本金属过渡处产生应力集中。因此，为了提高对接焊缝的工作性能，在许多情况下，可采用图4.２（c)所示的焊缝外形，它有利传力线的均匀过渡,减少了应力集中。对于角焊缝，可采用下凹外形的焊缝，由于实现了焊缝向基本金属的平滑过渡，减少了应力集中，因而对提高焊接接头的工作性能在许多情况下是有利的。焊缝有纵向焊缝和横向焊缝之分.与载荷垂直的焊缝为横向焊缝，其作用是将力从一块板材传递到另一块板材上去。这种焊缝称为工作焊缝。而与载荷平行的焊缝为纵向焊缝，它只起联系作用,受力时，它将与板材一起变形。如果焊缝金属的弹性模量与基本金属相差不多，则在弹性变形范围内焊缝和基本金属将产生相同的应力，在许多情况下该焊缝对结构强度不造成影响，因而称作联系焊缝,而勿须计算.典型的工作焊缝与联系焊缝如图4。3所示。4.１．2焊接残余应力与变形一般情况下，焊件在焊后或多或少地存在残余应力，甚至产生焊接变形。焊接残余应力与残余变形是影响船体性能和精度的重要因素.至今仍然是迫切需要解决的重要课题。焊接残余应力与残余变形是同时发生和存在于焊接工件之中的，相互联系难以分割。焊接残余应力和残余变形有它们不同的侧重点。对于一些高强度钢制造的重要结构,如主船体结构，如何减低焊接残余应力、防止焊接裂纹的产生和接头强韧性下降往往成为主要的考虑点；而对于一些塑性良好的低碳钢制造的焊接构件，特别是船体上层建筑，控制焊接变形保证制造精度是主要的考虑点.由于焊接过程和焊接构件的复杂性，在实际生产中对焊接残余应力和残余变形的变化规律往往还是认识不足和难以掌握的,至今在许多情况下仍然还是凭经验,因此往往难以达到产品的性能和精度要求。多年来国内外学者和专家对焊接残余应力和残余变形进行了大量的研究，特别是近年来随着数值方法和计算机技术的发展,许多原来难以解决的问题有了实现的可能,也取得了一些研究成果。然而离在实际焊接生产中的广泛应用还有相当大的差距。１．焊接残余应力的形成原因焊接残余应力的形成原因主要是焊接部位的温度不均匀分布、焊接过程中材料的物理性能和力学性能的变化、焊件的拘束度。（1)焊接时温度分布不均匀焊接区中不同部位的温度不同，不同的温度分布引起的膨胀量不同，在冷却时，膨胀部分的收缩又受到周围金属的限制，从而产生应力与应变。(2)焊接时金属力学性能的变化金属力学性能在不同温度条件下的变化可由短时拉伸实验得到。图4.４所示为低碳钢在不同温度下的拉伸结果,即为低碳钢随温度变化的应力一应变拉伸曲线。图４.5所示为各种力学性能参数随温度变化的趋势。由图可以看出，屈服点和极限强度等均随温度的增加而降低，在7０0℃以上就基本失去弹性，此时的温度一般称作力学熔点温度.因此在高温下材料抵抗变形能力的大大降低，在2０0℃~3００℃范围内材料的伸长率和断面收缩率下降,说明有蓝脆现象,在预热、焊接、后热等热过程中应重视这一性能变化引起的不良作用。（3)金属在焊接过程中物理性能的变化金属受热时物理性能也将发生变化，图4。6为不同温度下低碳钢的物理性能随温度的变化情况。由图可知，热导率和热扩散率a在７00℃以下随温度增加而下降,比热容c和s随温度增加而增加,c和a在700℃～800℃之间由于相变而产生突变。c和s在金属熔化时有突变现象。至于热胀系数a和体积质量p,也同样随温度上升而发生变化（图中未标出）,前者从１00℃的１2．７2X10——6／℃上升到7００℃的17.9X10-6／℃,后者则由100℃的7。８2g上述力学和物理性能的变化会严重影响焊接过程中应力和应变的形成。在进行应力和应变的计算时，若采用有限元法计算焊接过程的热弹塑性应力应变场，应予以充分重视.在一般的简化计算中，可以用一定温度范围的平均值来代替。(４）金属相变时的比容变化金属在加热和冷却过程中发生的相变会引起比容及性能的变化.不同的显微组织，比容大小由其晶格类型所决定。如马氏体为正方体结构,比容值最大；奥氏体为面心立方体结构,比容值最小。对于一般的碳钢，冷却时由于奥氏体向铁素体和珠光体的转变在7０0℃（5）焊件本身的刚性用具有一定厚度的母材金属制造焊件时，由于焊件本身的刚性大,限制了加热时的自由变形和冷却时的自由收缩，从而在接头中产生应力与应变。刚性的大小与焊件的尺寸拘束度有关,在非拘束条件下,随着焊件尺寸的增大，会产生自拘束作用.当焊件的长度超过5０0ｍm以上，即可通过焊件的尺寸效应产生较大的内应力。而当焊件的宽度超过残余应力分布区域的宽度的数倍时，将不影响横向残余应力的分布。到目前为止，对于焊接残余应力的分布规律及其影响因素已经有了统一的认识和理解，但是从定量的观点上看，由于情况复杂、多变，因而不论是计算还是实测均有一定的误差。2.焊接残余应力的影响焊接残余应力的存在对焊接接头乃至焊接结构的安全服役性能有重要影响，表现在许多方面.（1)对结构刚度的影响当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加达到材料的屈服点时，此区域材料就会产生塑性变形,同时进一步丧失承受外载的能力，造成结构有效截面积减小,结构刚度随之下降。在许多情况下,纵向焊接残余应力数值往往达到材料的屈服点,如果外载产生的方向与它一致，则其变形量将比没有残余应力或残余应力较小时大。卸载时，应变松弛量小于加载时的变形量，构件不能恢复到原始尺寸。构件中的拉应力区域越大,对刚度的影响也越大,卸载后的残余变形也越大。受弯曲时，残余应力对刚度的影响与焊缝的位置有关。焊缝所处位置的弯曲应力越大，其影响也越大。(2）对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中的压缩应力成分叠加达到材料的屈服点时，这部分截面就丧失了进一步承受压应力载荷的能力。这样就削弱了杆件的有效截面积,并改变了有效截面积的分布，使杆件的稳定性有所改变。残余应力的分布状态影响压杆的稳定性,杆件内压应力的影响程度也与截面形状有关.对于箱形截面的杆件，残余应力的影响程度要比H形梁的小。残余应力的影响只在一定的长细比范围内起作用。当长细比较大时，杆件的临界失稳应力比较低。如果残余应力的数值较低，外载应力与其叠加未达到材料的屈服点，则残余应力对构件的稳定性不产生影响。当长细比较小时,失稳时的临界应力主要取决于杆件的全面屈服,残余应力就不会产生影响。在设计受压焊接构件时，往往采用修正折减系数的办法来考虑应力对稳定性的影响。（3）对静载强度和脆断的影响没有严重应力集中的构件，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力并不影响结构的静载强度。而在实际结构中，可能由于工艺或设计的原因导致严重的应力集中,同时还存在较高的残余应力。有许多低碳钢和低合金结构钢，如果工作温度低于脆性临界温度（在此温度下光滑试样仍然具有良好的塑性）,在拉伸应力和工作应力的共同作用下，将降低结构的静载强度,使之在远低于屈服点的外载应力的作用下产生脆性断裂。(4）对疲劳强度的影响结构的疲劳强度与服役时所受的循环载荷的循环特性有关.残余应力的存在使循环载荷的应力循环平均值发生偏移，但不影响其幅值。当应力循环的平均值增加时,其极限值就降低，反之则提高。因此,如果存在应力集中和残余应力,疲劳强度就下降.如果在外载作用下残余应力得以消除，残余应力的作用也就相对减弱.应力集中系数越高，残余应力影响越明显。因此,提高疲劳强度,不仅应从调节和消除残余应力着手，而且也应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利作用。（5)对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂（SCC)是特定的环境下（介质和材料）,结构在低应力的作用下产生开裂的现象。产生SＣC的三大因素是应力、介质和材料。SCC的临界疽力取决于材料与介质的组合。如果材料和介质不匹配,即使临界应力达到材料的屈服点，也不一定产生开裂。在材料和介质匹配的情况下，产生应力腐蚀开裂所需的时间与应力成反比.拉应力越大,产生ＳCＣ的时间越短。因此,消除焊接残余应力是避免产生ＳCC的重要措施之一。如果能在与腐蚀介质接触的构件表面制造出残余压应力层，就可能完全避免SCC的产生.（6）对焊接冷裂纹的影响如图４.15所示,V形坡口焊接接头由于焊缝根部承受高值焊接残余拉伸应力,而此处的焊缝宽度又较小或易存有缺陷，因此焊缝根部在此拉伸应力作用下极易产生裂纹。又如图４.１7所示的厚板焊接的例子,焊接接头的纵向、横向都存在较高残余拉应力，这是导致焊缝金属产生横向冷裂纹和焊缝根部纵向冷裂纹的重要原因。焊缝金属中的扩散氢是产生焊接冷裂纹的重要因素，而焊接残余应力诱发焊缝金属中氢的析集,研究表明，厚板焊缝金属扩散氢浓度最大的部位,恰恰也是残余应力最大的部位，高浓度的扩散氢和高的残余应力，极易导致焊缝金属横向冷裂纹的产生。（7）对焊接加工精度和尺寸稳定性的影响对于含有残余应力的构件，如果机加工时破坏了原始残余应力场，使得残余应力得以释放或重新分布，构件将产生变形，加工精度受到影响。含有残余应力的构件，自然放置一段时间后，由于时效作用或组织不稳定将产生应力松弛现象,导致结构尺寸的不稳定。组织稳定的低碳钢和奥氏体钢焊接结构在室温下的应力松弛微弱，残余应力随时间的变化比较小，焊件的尺寸比较稳定.但是,如果温度上升至100oC,松弛将明显增大。焊后产生组织不稳定的材料，如２0ＣrMｎSi、2Crl3、1２CｒＭo等钢材或铝合金,由于不稳定的组织随时间改变,残余应力变化也较大，焊件的尺寸稳定性比较差.3。焊接残余变形除焊接残余应力外,一般情况下焊接也会使接头和构件发生变形，如图4.2l所示。焊接变形不但会对矫正工作带来诸多不便，而且由于某些变形会形成应力集中,或改变接头的传递，造成了设计阶段并未考虑的因素影响，使构件提早发生失效。图4。2２所示不等厚板的端面焊缝搭接接头,由于薄板的弯曲变形，使力的传递仅由一条焊缝承担,而易使接头失效。图4。2２变形改变了接头焊缝的工作情况良好的焊接结构设计可有效地减少或消除焊接接头变形.例如在某些情况下以X形坡口代替V形坡口,不但能降低焊接材料的消耗量，使焊缝根部承受压力，避免了根部裂缝的产生(图４.15），而且可减少或消除角变形,这是极其有利的。当然在采用单炬火焰加工方法开坡口时，Ｘ形坡口由于需要4次切割，因而成本较高.４。1.3焊接残余应力与变形的研究进展对焊接残余应力与变形进行预测与计算是当今焊接力学发展的一个重要方面。目前虽然在一些焊接手册上有一些焊接变形的经验公式和数据，例如焊缝纵向收缩量、焊缝横向收缩量、平板堆焊以及T形接头的角变形等，但是这些经验数据是在一定的条件下实验或生产实际中得到的，而且只是一些简单的情况，有相当的局限性，实际参考时应注意。基于一维解析的以残余塑性变形计算焊接变形的方法,比较适合梁架结构的焊接变形分析,但对于要解决比较复杂的一些构件的焊接应力与变形的定量分析是困难的.随着计算机和有限元等数值方法的发展,焊接热弹塑性有限元分析使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。国内外焊接热弹塑性研究成果可以归纳为以下几个方面：①在理论方面，根据焊接的特点，建立焊接热弹塑性有限元分析的数学模型，研究了提高计算精度和稳定性的方法与途径，研制和开发了相应的计算机程序和软件，其特点是可以跟踪整个焊接过程，了解动态应力应变过程和焊后的残余应力和变形。②在焊接应力的发生机制和残余应力的分布形态方面,研究了不同拘束条件下的各种接头形式的焊接应力发生机制和残余应力分布形态。其中特别是对极厚板多层焊接接头的残余应力分析表明，最大的残余应力出现在最后一层焊道表面之下.采用有限元法分析了水冷散热焊接法降低管子焊接接头内壁残余应力的效果,计算表明采用该法后，接头的残余应力由拉应力转为压应力。③在焊接裂纹的力学分析方面，包括单面焊时的变形和终端裂纹的关系,Slit焊接接头拘束度与拘束应力分析，焊接冷裂纹敏感指数中的力学因子分析，多层转角焊缝层状撕裂与根部裂纹的发生机制以及ＴRC试验和ＲRC试验力学特性及相关性等的研究。④在焊接变形预测方面,焊接变形通常认为影响因素较多,难以预测.利用数值方法对焊接或切割变形的预测已有不少成功的例子。例如高精度装配大拼板的面内和面外变形的计算，钢板氧气切割和等离子切割时的有限元计算等。近年来,三维焊接变形的研究分析取得了很大的进展,并在压缩机焊接变形、管板焊接接头变形等的预测中取得满意的效果。薄板焊接时的失稳变形也开始了研究.此外,进行了水火弯板预测和控制的系列研究。⑤焊接应力变形对焊接接头强韧性的影响研究方面也有进展。上述焊接热弹塑性有限元研究方法，从原理上可以解决复杂焊接结构的变形和应力问题，需要大容量计算机和较长的运算时间，不大经济。基于弹性有限元分析的固有应变法则,是一种既能解决大型复杂结构，又比较经济的预测焊接变形的方法。在高强钢焊接应力的分析方面，考虑温度、相变、热应力三者耦合效应的有限元分析是比较有效的方法等.4。1．4焊接残余应力的消除方法焊后消除残余应力的方法有很多种，主要包括焊后热处理、力学形变法（包括过载拉伸处理、振动处理、锤击处理、爆炸处理等)和温差形变法（利用热膨胀的差别使金属产生伸长形变以消除应力的低温拉伸和逆焊接温差处理方法）.图4．23所示为消除焊接残余应力的方法分类。1。焊后热处理焊后热处理（简称PWHＴ)是当前焊后处理的最主要的方法。除部分超高强度钢及部分有特殊要求的部件焊后采用调质处理、奥氏体不锈钢有时采用固溶处理外，大部分结构钢的ＰWHＴ是指焊后退火处理。（1）碳钢和Ｃ-Mn钢的PＷHT在碳钢和C-Ｍn钢的PWHT过程中，存在着碳化物和铁素体晶粒长大现象,因此可能使强度降低。退火温度超过６０0C由于板材越厚，脆断的敏感性越大，因此一般都规定一个极限厚度，超过极限厚度必须进行PWHT.对这个极限厚度各国规程有较大的差别,其范围在２０mm~50ｍm，倾向意见是３6mｍ。我国有关规程规定需要进行PWHＴ的极限厚度依据材质而变化。这类材料的焊后退火经常是为了防止应力腐蚀发生,因此，即使材料的厚度低于极限厚度的退火也是必要的。（2）微合金钢和低合金钢的PWHＴ这类钢在退火过程中，伴随应力松弛的同时，除产生稍比碳钢更明显的屈服强度下降外，由于不同机制的作用还可能导致不同程度的脆化，有些可能产生再热裂纹。在日本，已将焊后处理造成的脆化列为HT50～HTl00钢的焊接主要问题之一。因此对这类钢的ＰＷHＴ应持谨慎态度。在具有应力腐蚀等的情况下，必须采用PWHT消除焊接残余应力时，应考虑PWHＴ造成的脆化效果.此类钢一般具有高于碳钢、C—Mｎ钢的强度，因此从防止脆断的观点出发，消除残余应力的钢板极限厚度相应较低.PＷHT的温度应尽量避开脆化最严重的温度区间。(3）奥氏体不锈钢的PWＨT应力腐蚀是不锈钢结构破坏中最突出的问题。在实际工程中８0%的应力腐蚀破坏是由残余应力引起的。因此从使用角度,不锈钢结构比其他材料的结构更需要进行焊后消除应力处理.在技术上,各国都倾向于用100０Ｃ以上加热的全固溶处理作为奥氏体不锈钢的ＰWHT,但是这是一个在实际工程上很难实行的工序。而5５0C～850C的加热处理，由于敏化和其他脆性相析出都要损伤不锈钢的其他性能。当前除核工业的某些装置中的不锈钢结构采用了昂贵的全溶处理外，其他化工工业中的不锈钢结构大多没有进行消除应力处理,这不但降低了不锈钢结构的使用寿命，而且使其因应力腐蚀引起的事故率显著升高。2．过载处理过载处理可降低焊接残余应力,如图4.２4所示。图4.２4(a）是原始焊接应力分布；图4.２4(b)是加载时的外载与残余应力的叠加状态，此时焊接残余拉应力区发生屈服引起伸长塑性变形；图4。２4（c)是卸载后的剩余残余应力分布。过载消除残余应力的效果显然取决于过载应力水平。当过载应力达到材料的屈服点时，残余应力将全部消除，过载后剩余的残余应力为：＝-图4.2４过载处理消除残余应力机制过载处理属于力学法消除残余应力处理,不能明显改变材料本身的力学性能。为避免过载处理过程中结构中的缺陷的失稳扩展引起断裂,过载处理必须在材料相应应力的止裂温度以上进行。目前世界上有些国家应用这一技术，如法国已将过载处理列入压力容器生产规程等。３。振动消除残余应力处理（VSＲ)振动消除残余应力处理（VSR)是用制动器使结构产生一个或多个共振或亚共振,多数情况下是通过2个～３个共振状态并持续一定时间,也有个别情况是在两个共振峰之间振动较长时间.VSR法消除残余应力的实质目前尚不能解释得十分清楚.最简单的解释是认为处理是一个伴随包辛格（Bauscｈingｅr）效应的循环加载过程.当振动引起的动应力与残余应力叠加超过材料的屈服点时产生应力松弛.ＶＳＲ处理消除残余应力的效果受工件几何尺寸、质量以及激振工艺的影响较大.VSR处理对稳定结构尺寸的有效性是公认的，在某些情况下甚至比热处理更有效。由于在ＶSＲ处理过程中，有时会产生裂纹或引起裂纹扩展,因此很多人认为应避免在有脆断、疲劳和应力腐蚀的情况下使用ＶSR处理。随着VＳR处理研究的深入，VＳR处理与热处理相比成本低、能耗少的优势,其应用领域将不断扩大．从目前世界范围来看，VSR处理的主要用途是稳定构件的尺寸。4．锤击处理锤击处理是指用锤头轻击焊缝及其周围区域或用高速粒子直接冲击工件表面（即喷丸处理）.锤击可以减少内应力,还可以在锤击表面诱导出残余压应力，这是该方法的主要优点。该方法已有７0余年的历史，但由于它的操作规程仍主要是建立在经验和约定的基础上,缺乏科学依据，而且具有较低的质量控制程度，因此影响了锤击处理的推广应用.另外锤击处理还存在可能引起微小裂纹（在锤击低塑性材料时）、产生应变时效脆化以及降低抗腐蚀能力等有害的影响。喷丸处理对提高抗疲劳能力是非常有效的，且喷丸处理有相对较好的质量可控性，因此在解决疲劳问题中得到比锤击处理更多的应用.5．爆炸消除应力处理爆炸消除残余应力处理是近２0年出现的新的消除应力工艺.爆炸处理是一个非常简单而又有效的力学消除应力方法。通过粘贴在焊缝及其周围表面的特种炸药的掠过爆轰造成的冲击波和残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性形变，从而松弛残余应力.研究表明,爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。在爆炸冲击波的作用下,还可以改善材料本身的组织性能。因此，经过爆炸处理的构件,可以得到如下结果:①提高了结构尺寸稳定性.②明显提高焊接结构构件的抗应力腐蚀能力。③改善了焊件的疲劳性能.疲劳性能的提高，原因不仅在于残余应力松弛，在表面诱导产生的残余压应力起了很大的作用,更另人关注的是爆炸处理还可以改善金属本身的组织结构，提高金屑本身的疲劳强度.④可以提高焊接结构的抗脆断能力．⑤对构件中的残存缺陷有改善作用.有研究表明，经过爆炸处理的带裂纹试件，断裂韧性改善了。爆炸处理不受构件尺寸的限制，特别适合于大型、超大型焊接结构消除焊接残余应力的处理,由于爆炸处理过程中没有热脆化现象，因此特别适合微合金化钢、低合金高强度钢以及其他具有再热裂纹倾向材料的消除焊接残余应力处理，同时也适合用退火无法解决的异种钢以及用热处理难以解决的不锈钢的焊后消除残余应力处理等。６．逆焊接加热处理逆焊接加热处理(简称ＡＷＨＴ）是近年来在我国出现的一种新的消除焊接残余应力技术。它的主要优点是可以在被处理表面形成双向的压缩残余应力层。其基本原理简述如下：利用与焊接加热相反的方法（即所谓逆焊接）,采用冷却介质使焊按区获得比相临区（母材)为低的负温差(该温差远低于焊接正温差），在冷却过程中焊接区由于受到周围金属的拉伸而伸长塑性形变,从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性形变，达到消除残余应力的目的。如果温差足够大(30０C～500与普通的低温拉伸消除残余应力(简称LTSＲ）机制相比,它们之间有很大的不同,ＡWＨT主要利用冷源在钢板表面造成的沿厚度方向分布不均匀的温度场，使表面层在冷却收缩过程中受到内层较高温度金属的拉伸作用,从而产生伸长塑性形变,当冷源强度足够大时，不仅可以消除处理表面的残余拉应力，还可在表层附近形成一定的双向压缩残余应力，数值大小可灵活控制。而LTSＲ方法利用近缝区和临近母材的温差，利用被局部加热母材的膨胀对较冷焊缝的拉伸作用使之产生伸长形变，一般能获得较好的消除纵向残余应力的效果，而消除横向残余应力或形成压应力的效果不理想。4.1．5焊接变形的控制方法1．刚性固定法利用外加刚性拘束来减少焊接变形的方法称为刚性固定法。在拼板时，将拼接的钢板用定位焊固定在平台上,可以减少钢板的波浪变形,如图4.2５(a）所示.为了防止角变形,可以在拼接缝的两端焊接两块端板，如图４．25（ｂ）.在船体建造过程中，还经常沿拼接焊缝焊接若干工艺加强板(俗称“马”），以防止角变形,如图4.25(c)。图4。２5拼板对接焊防止变形的措施在装配焊接大型构件时，经常采用胎卡具以减少焊接变形。如在分段胎架上进行船体分段的装配焊接,既可减少焊接变形又可保证外形光顺、尺寸准确。装配时用定位焊将分段壳板强制固定在胎架的模板上,这样可以大大提高结构的刚度,减少焊接残余变形.应用刚性固定法时必须注意，由于胎卡具的拘束作用，必然会增加焊接应力,增加产生焊接裂纹的可能性。因此，这种方法常用于焊接性比较好的钢材结构上，对于铸铁和某些高强度钢则不宜采用。２．反变形法在焊接之前,预先估计结构的变形大小和方向,将构件装成一个反方向的变形，以抵消焊接过程所引起的变形，这种方法叫反变形法。反变形法是船体建造过程中经常使用的一种方法.为了防止角变形，可以将焊接坡口处适当垫高,如图4。2６(a)。在焊接工字梁时，可以将翼板预先压制一定角度,焊后即可平直,如图4.2６(b)。如有一工字梁结构，其翼板宽度为４００mm，装配之前，将翼板在油压机上预先压制5mｍ的反变形，然后在自由状态下焊接，焊后翼板平直，基本上抵消了由焊接引起的反变形。图4.２6防止角变形的措施再如某船体的中龙筋与龙骨底板焊接时，为了防止角变形，焊接前在龙骨板中心处垫高25mm，将两边固定在平台上，使龙骨底板有一反变形.焊后将紧固装置去除，龙骨成平直状态，图4。27（ａ)。图4．27部分反变形措施（a)中龙筋与龙骨底板焊接时的反变形；(ｂ）T型部件的弹性反变形。在焊接细长构件和平面构件时，如果焊缝不对称，构件往往出现较大的弯曲变形。为了防止这类变形，有两种方法。①弹性反变形——将构件用外力压紧在一定的夹具内造成反变形,焊好后由夹具中取出，构件达到设计要求，如图4．２7(b)所示的T形部件。有些平面结构如隔舱壁,在焊接舱壁上部构件时，由于焊缝的角变形，往往引起舱壁弯曲.为了防止这种变形,舱壁构架可在具有反变形的弧形胎架上进行,如图4。2８所示。②预制反向弯曲法-—在下料时预先将构件制成反向弯曲的形状,使弯曲方向与焊接变形的方向相反。例如，主机座的T字梁,焊缝偏向中性轴的一侧,而另一侧没有焊缝，焊后必然产生弯曲变形。由于腹板较宽,截面抗弯能力强,很难用加压的方法预制反变形。因此在腹板下料时，应考虑对Ｔ字梁的公差要求，估计出纵向弯曲值的大小,预制出反变形的形状.图4.２８平面舱壁反变形示意图例如,某船主机座的梁长Ｌ=70０0mm,腹板高H＝1００0mm，腹板厚1２ｍｍ,翼板厚3０ｍm,要求焊后最大挠度为土4mm.通过计算确定焊接弯曲变形的挠度为4mm左右.下料时，在腹板边缘预制6ｍm的反变形。焊后实测主机座的挠度为lｍm,完全符合要求，见图4.29.图4。29主机座腹板下料图在焊接船体分段时，由于焊缝位置不对称于结构的中性轴,焊后往往产生纵向弯曲和横向弯曲。对于这种大型焊接构件，只能采用具有反变形的胎架进行装接，以保证结构符合设计要求。为此，分段胎架的模板必须具有一定的反变形，如图４。30所示.图4．30胎架反变形反变形控制焊接变形的方法，不仅广泛应用于部件、分段的装焊过程,而且在船台总装阶段，也常常采用。就全船来看,总段对接焊缝大部分在中性轴以上，主甲板以上结构所有焊缝全部在中性轴以上.因此,在船台总装阶段,焊后往往产生首尾上翘变形。为防止产生这种变形，总段在船台上对接时,要摆成下降的曲线,如图４．3１所示（该船长7lm）.图4。３1船台总装阶段的反变形3．选择合理的装配焊接次序在船体结构的装配与焊接中，由于焊缝很多，对于变形的影响也比较复杂。为了控制变形,常把结构分成若干个零部件，分别装配焊接，然后将焊好的部件装配成一个整体。这样可以使那些不对称的或收缩量较大的焊缝能自由收缩，而不影响整体结构。4．预留收缩余量法构件焊后纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝方向)的缩短，可以通过对焊缝收缩量的估算，在备料加工时预先留出收缩余量进行控制。在自由状态下，采用正常规范进行手工电弧焊时,其纵向收缩量的经验数据参见表4。１。表４。l纵向收缩量的经验数据焊缝类型对接缝连续角焊缝间断角焊缝收缩量/(mm／ｍ)０.１5～0。30．2～0.40~0．1由上表可见，间断角焊缝的纵向收缩量比连续角焊缝小．因此，在受力不大的地方,用间断角焊缝代替连续角焊缝,是降低纵向收缩变形的有效措施。对于细长钢制构件如梁．柱等结构,其单层焊的纵向收缩量也可按下式进行估算:(4。1。1)式中L——构件的纵向收缩量,mm;L--构件长度，mm；F——焊件的横截面积,ｍm2；FH一焊缝的横截面积,ｍｍ2。横向收缩量主要取决于焊接热输人量和构件厚度。横向收缩量可按下式进行估算：(４。1．2）式中b——横向收缩量，cm；Ｅ——焊接热输入量，kJ／cm——板厚，cm。横向变形还与结构的刚度有关。一般情况下，构件的横向收缩量比纵向大得多。在船体结构中,外板对接缝以及肋骨与壳板间的角接缝，焊后都要产生横向收缩。为了保证肋骨间距和船长,在船舶焊接中每一肋骨间距要预留0。5mm～ｌmｍ的余量。4。4焊接结构的疲劳断裂４。4.1疲劳基本概念金属材料及其结构因受交变载荷作用而发生损坏失效或断裂的现象,称为疲劳断裂。疲劳断裂大多经过疲劳裂纹的蕴育、萌生（启裂）、稳定扩展(亚临界扩展)、失稳扩展以至断裂的过程.疲劳断裂是在应力远低于材料的抗拉强度(有时低于屈服强度）的循环应力作用下发生的低应力破坏。虽然疲劳断裂在断裂前材料的塑性变形很小，与脆性断裂有许多相同或相似的特点,但从疲劳断裂的本质上看,疲劳断裂与一般的脆性断裂并不相同。1．疲劳寿命一般将疲劳寿命分为两大部分,①裂纹发生寿命Nc,即裂纹产生以前的载荷循环次数.②裂纹扩展寿命Np,即裂纹发生扩展至断裂的载荷循环次数。因此，总的疲劳寿命Ｎｆ=Nc+Np.2．高周疲劳与低周疲劳就工程结构而言,疲劳可以按照所施加载荷作用频率的高低分为高周（高频）疲劳与低周(低频）疲劳两大类。高周疲劳又简称应力疲劳,构件所受的载荷频率ｆ（或ｎ）＞2０次/mｉn，其工作应力,Nｆ>10４~1０7次，疲劳裂纹扩展速率da/dＮ<10－2ｍm/次。高周疲劳情况下所考虑的，是经过数万至数百万次以上的载荷循环应力作用以后材料的持久极限，它相当于焊接结构某些部位承受快速的反复载荷的情况。低周疲劳又简称应变疲劳。低周疲劳的构件所受的载荷频率f(或n）〈10次/min~20次／min,其工作应力，Ｎf<104次，疲劳裂纹扩展速率da／dＮ≥10—2ｍｍ3。疲劳强度通过试验建立的等幅循环应力Ｓ与疲劳破坏时循环次数N之间的关系如下式所示：NSm＝C（4.4.1）图４．８3为S—N疲劳曲线。在双对数坐标图上lgS—ｌｇＮ为一直线，如图４.８４所示.则式（4．４。1)为：lgＮ＝B一mlｇS(4。4