1    前    言    

   封閉式冷卻塔結構廣泛應用于鐵路運輸、船舶工程、航空航天飛行器、汽車工業、海上鉆井采油平臺的上層建筑等大型結構制造領域。薄板具有重量輕、工藝性能好（易加工、易成型）和連接方便等特點。但由于其自身拘束度小，焊接時變形較大[1]（橫向收縮、縱向收縮、回轉變形、角變形和彎曲變形等），嚴重時會由于失穩而產生波浪變形，且很難矯正，特別是對不銹鋼等一些熱膨脹系數較大的材料，變形尤為嚴重。變形不僅嚴重地影響了薄板本身的結構強度、制造精度和使用性能，甚至會因變形而使焊接操作無法繼續進行，因此很有必要對薄板焊接變形控制技術，包括焊接變形產生的影響因素和控制工藝進行研究，最終用以指導生產實踐、提高產品質量。

2    薄板失穩變形的原因    

    薄板結構焊接最突出的問題是波浪變形。通常對于6mm以下的薄板，要特別注意防止失穩而產生波浪變形。在焊接過程中，薄板上產生高度不均勻的焊接溫度場，且由于受到約束作用，最終在焊接接頭區域形成殘余應力和產生不協調的塑性變形，焊縫附近為拉應力而遠處為壓應力。如果壓縮殘余應力σ的數值達到結構的屈曲失穩臨界載荷σsr，薄板就會發生失穩（屈曲），產生波浪變形。因此，焊縫金屬縱向收縮而產生的壓應力是導致薄板失穩的主要原因[2]。

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    t是薄板厚度，B是板寬，K是與板的支撐情況有關的系數。從上式看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應力就越小，薄板也就越容易失穩。因此，可以從降低殘余壓應力和提高臨界應力、薄板剛度兩方面著手以減少波浪變形。如設置加強筋或增加板厚、把薄板壓制成凸筋或波紋形等均可以減小和防止波浪變形，同時也要權衡利弊，既考慮工藝性又要考慮經濟性。焊接失穩變形主要受薄板幾何形狀、板面積、厚度、板件初始不平度和支承條件的影響，同時焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的程度。

3     目前控制薄板變形的主要方法    

    對焊接應力與變形機理的深入認識，使人們能夠通過若干不同途徑達到減少焊接變形的目的[3]。預防和控制薄板結構焊接變形方面使用的方法基本上可分為三類：預防、控制和矯正�？梢詮脑O計和工藝兩個方面來解決。

3.1   設計方面的措施有：

3.1.1     合理地選擇焊縫的尺寸和形式；

3.1.2    盡可能減少不必要的焊縫；

3.1.3    合理地安排焊縫的位置；對稱地布置焊縫，并盡可能考慮將焊縫布置在靠近結構中心線的區域內。

3.2   工藝方面的措施有：

3.2.1   正確選用焊接方法和焊接材料。

3.2.2   反變形法和剛性固定法：剛性固定法和反變形法是控制焊接變形的基本方法。在焊接工藝上盡可能合理運用剛性固定法和反變形法，預留收縮余量。剛性固定法是將焊件固定在有足夠剛性的胎夾具上，或是臨時裝焊支撐，以增加構件的剛度來減小焊接變形，待焊接構件上所有焊縫冷卻到室溫時再去掉剛性固定，這時構件產生的變形將大大小于在自由狀態下的焊接變形。如果再配合其它控制焊接變形的措施，將使焊接變形控制在產品技術公差要求范圍以內。 3.3   比較常用的方法還包括：

3.3.1    壓鐵法：當薄板面積較大，焊縫較長時，可采用壓鐵分布在焊縫兩側來減小變形。

3.3.2    散熱法：是一種在焊接過程中消除殘余應力的方法。其原理是在焊接過程中通過噴水強迫冷卻，使焊縫附近的材料所受熱量大大減少，縮小焊接熱場的分布，從而減小焊接變形。

3.3.3    低應力無變形焊接法：是專門為防止薄板焊接波浪變形的一種新的焊接方法。在施焊前距焊縫一定距離處用電加熱器預熱一定寬度，在達到一定溫度時開始焊接。在焊接坡口下方布置銅墊塊，墊塊上鉆通孔通水冷卻，以便將焊接熱迅速疏散。在預熱區的外側，用機械或氣動夾緊裝置使板剛性固定。這樣在焊后，從焊縫區開始，形成了拉—壓—拉—壓交替分布的殘余應力場。由于臨近焊縫區的壓縮殘余應力處于其兩側拉伸應力場的包圍內，所以不能引起薄板的壓縮失穩變形。在這里拉伸殘余應力起著一個張緊作用，或者是支撐作用，使得薄板不會因壓縮失穩而出現波浪變形。在預熱區外側，由于壓縮殘余應力數值較低，而不會引起薄板的失穩變形。

3.3.4    合理選擇焊接規范參數和裝配焊接順序。焊接程序和方向的正確選擇，將會使焊后的應力、變形及裂縫的傾向減少。因此，對于一些環形焊縫及較長的焊縫，還需應用對稱焊和逐步退焊法來減少焊接變形。這是在考慮焊接工藝時必須遵循的原則。    

    選用線能量較低、熔敷效率高的焊接方法，也可有效地防止焊接變形, 核心是熱輸入的大小，即若要減小并避免焊件的變形，最應注意的是嚴格控制線能量，即在完成焊縫焊接的前提下，盡量減少焊縫的熱輸入，從而減小焊接熱影響區，減小焊接變形及其對接頭性能的惡劣影響。例如采用CO2半自動焊來代替氣焊和手工電弧焊, 不但效率高，而且可以減少薄板結構的變形。另外，焊接時待焊件間隙應在保證焊透的情況下，越小越好；切割熔渣與剪切毛刺應清除干凈；焊接之前應采用較小直徑的焊條進行點焊（定位焊），增加焊件剛性，這些都有利于減小焊接變形。同時合理選擇點固焊的順序、焊點距離及大小，不僅能保證焊接間隙，且具有一定的抗變形能力。

3.4   矯正焊接變形的方法

3.4.1    機械矯正法：利用外力使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形, 使兩者互相抵消�；蛘卟捎缅N擊法、輥壓法來延展焊縫及其周圍區域的金屬，達到消除焊接變形的目的。

3.4.2    火焰加熱矯正法：是利用氣體火焰加熱構件的伸長部分，使其在較高溫度下發生壓縮塑性變形，冷卻后收縮變短，來達到矯正變形的目的[4]。   

     矯正薄板結構的焊后變形，常用的方法主要有錘擊法、滾壓法、局部加熱矯正法等，這些方法雖能有效地控制焊接殘余變形，但各有其不足之處[5]。錘擊法是利用錘頭的沖擊來延展焊縫及其周圍壓縮塑性變形區域的金屬，達到消除焊接變形的目的，但勞動強度大，錘擊面粗糙，表面質量差；滾壓法是利用圓盤形滾輪來滾壓焊縫或近縫區金屬，使之碾展伸長，來消除失穩變形，其缺點是為了在滾壓焊縫時取得較大的塑性變形量，往往需要10~20t的滾輪壓力，在大壓力下實現小直徑滾輪的直接剛性傳動有一定的困難；局部加熱矯正法是利用火焰局部加熱產生壓縮變形，冷卻后該部位金屬產生收縮而達到矯正變形的效果，其效果的好壞取決于操作者的技術水平，而且無法完全消除變形。另外，矯正變形往往需有專用的工藝裝備，增加了制造成本，延長了制造周期。

4    有限元法    

     由于實際結構形式的復雜性，焊縫布置的多樣化，對薄板結構確定一種優化的控制變形方法仍然是十分困難的，多數情況下人們還是憑借實際經驗，而經驗的積累要花費很長時間和費用。對薄板采用合適的物理數學模型對其受力和變形過程進行數值分析，可省去大量的摸索實驗時間，根據有限元計算結果進行制造工藝參數的優化，可有效地防止和控制變形。目前，利用有限元數值模擬技術與板的穩定理論相結合的方法，預測和控制焊接殘余應力和變形已成為該領域的發展趨勢和前沿。其中又分為熱彈塑性有限元法和固有應變法。   

     熱彈塑性分析是在焊接熱循環過程中通過一步步跟蹤熱應變行為來計算熱應力和應變的，采用這種方法可以詳盡地掌握焊接應力和變形的產生及發展過程。隨著大型有限元軟件的開發并取得了良好的效果，這種方法被越來越多的學者采用。  

      固有應變有限元法[6]是一種既能解決大型復雜結構，又比較經濟的預測焊接變形的方法，有很大的實用意義和發展前途。固有應變是表征材料從應力狀態切離后處于自由狀態時，與基準狀態相比所發生的應變。焊接時的固有應變包括塑性應變、溫度應變和相變應變。焊接構件經過一次焊接熱循環后，溫度應變為零，固有應變就是塑性應變與相變應變殘余量之和。固有應變存在于焊縫及其附近，大小和分布決定了最終的殘余應力和變形。因此如果知道了固有應變的大小和分布，把它作為初始應變置于焊縫及其附近，就可以通過一次彈性有限元分析求得整個構件的焊接變形。  

      針對薄板結構厚度方向尺寸遠小于其它兩個方向尺寸的特點，有人提出一種預測大型復雜薄板結構焊后變形的數值分析技術，這種技術將二維熱彈塑性數值模擬與三維結構屈曲分析結合起來。由二維熱彈塑性模擬計算出的應力場，加到三維結構模型上, 進行三維結構的彈性屈曲分析，從而得出各種條件下薄板失穩變形模態，再結合大變形方程的攝動解，可以求得薄板的變形。該方法有效減少了計算工作量，并能進行大量的數值模擬, 評估薄板結構尺寸、加強筋及焊縫布置等因素對焊接失穩變形的影響。數值模擬結果與實測結果的對比證實了這種方法的有效性。隨著計算機軟硬件技術的發展和相關理論的不斷完善, 有限元法必將得到更加廣泛的應用。

5    結束語   

    封閉式冷卻塔變形是國內外薄板焊接制造的一個技術難題，由于具有復雜性、多元性，許多基本理論及解決辦法還未搞清楚，嚴重影響了焊接質量，所以有必要繼續對這一焊接難題進行研究。運用有限元數值模擬技術對薄板焊后變形進行預測和控制是一種有效的方法，具有廣闊的前景。建立一套控制薄板焊接變形的工藝措施和技術方案，為我國薄板制造技術走上新臺階，增強產品的整體競爭力具有重要的現實意義。