大型液化气船低温钢焊接变形控制技术研究及应用

大型液化气船低温钢焊接变形控制技术研究及应用

龙伟

江南造船（集团）有限责任公司

摘要: 随着能源需求的增长，大型液化气船作为储运液化气的关键设备在海上运输中起着重要的角色。然而，由于液化气船沿海特殊工况和低温环境的影响，焊接变形问题时常出现，严重影响了船体结构的精度和可靠性。本文旨在研究大型液化气船低温钢焊接变形问题，并探讨适用的变形控制技术，以提高焊接质量和船体性能。

关键词：大型液化气船；低温钢焊接变形；控制技术；研究及应用

引言

焊接是一种常用的金属连接方法，然而，在焊接过程中会产生变形。对于大型液化气船等重要工程结构来说，焊接变形的控制至关重要。因此，选择合适的焊接方法、优化焊接工艺参数，并应用变形补偿技术，成为解决焊接变形问题的关键。本文将探讨焊接方法选择与优化、焊接工艺参数优化以及变形补偿技术在大型液化气船焊接中的应用，旨在提高焊接质量和安全性。

1、液化气船低温环境下焊接变形机理研究

液化气船在低温环境下焊接变形问题是一个严重的挑战。低温环境对焊接变形的影响主要来自于两个方面：材料收缩和残余应力。首先，液化气船所使用的低温钢在焊接过程中存在热收缩现象，由于材料的收缩率随着温度的降低而增加，这会导致焊接接头产生局部收缩，进而引起变形。其次，焊接过程中产生的残余应力也是导致焊接变形的重要因素。由于焊接过程中局部加热和冷却速度的不一致，使得焊接接头产生非均匀的应力分布，当释放时，会导致焊接变形。

2、大型液化气船焊接变形控制技术研究

    3.1 预制件设计优化技术

（1）焊接接头结构形式

选择合适的焊接接头结构形式是预制件设计优化的基础。不同的焊接接头结构形式会影响接头的刚度和强度，从而影响焊接过程中的应力和变形。常见的焊接接头结构形式包括直角型、V型、T型等。通过对比分析各种结构的优缺点，选择最适合大型液化气船的焊接接头结构。

（2）接头尺寸选择

正确选择接头的尺寸对于控制焊接变形至关重要。过大或过小的接头尺寸都会增加焊接时的热应力和残余应力，导致变形加剧。因此，在设计优化中需要根据实际情况确定合理的接头尺寸，并考虑到材料的热膨胀系数和热导率等参数，以降低焊接变形的程度。

（3）连接方式优化

焊接连接是大型液化气船的关键环节之一。优化焊接连接的方式可以减小焊接接头的尺寸和重量，从而降低变形。常见的焊接连接方式包括对接焊接、角接焊接、角接角焊接等。通过分析各种连接方式的特点，选择最适合大型液化气船的焊接连接方式，并结合预制件的设计进行优化。

（4）材料选择与匹配

在预制件设计优化中，材料的选择与匹配也是至关重要的。不同的材料具有不同的热膨胀系数和热导率，对焊接过程中的应力和变形有着直接影响。因此，需要选择合适的材料，并考虑材料之间的匹配性，以减小焊接变形。预制件设计优化技术通过对接头结构、尺寸、连接方式和材料的优化，在预制件阶段就能够减小焊接接头的尺寸和重量，降低焊接过程产生的应力和变形。这将减少后续焊接过程中的变形控制难度，提高焊接质量和船体性能。因此，在大型液化气船焊接变形控制研究中，预制件设计优化技术具有重要的意义。

   3.2 焊接方法选择与优化

（1） 焊接方法选择

根据大型液化气船的工艺特点和焊接要求，选择合适的焊接方法。常见的焊接方法包括手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、埋弧手工混合焊、气保手工混合焊等。不同的焊接方法具有不同的热输入、焊缝形状和焊接效率，对应产生的热影响和应力分布也不同。

（2） 焊接参数优化

在选择合适的焊接方法后，需要进一步优化焊接参数。焊接参数包括电流、电压、焊接速度、预热温度等。通过合理调整这些参数，可以控制焊接过程中的热影响和应力，减小焊接变形的程度。其中，焊接速度和电流对于热影响和残余应力有较大的影响，因此需要通过实验和数值模拟研究，找到最佳的焊接参数组合。

（3）自动化焊接技术应用

对于大型液化气船的焊接，可以考虑采用自动化焊接技术。自动化焊接通过机器人或自动设备进行焊接，具有焊接速度快、焊接质量稳定等优点。在焊接过程中，自动化焊接技术可以更好地控制焊接参数，减少人为操作的不稳定性，提高焊接效率和一致性。

（4） 实验研究与数值模拟

通过实验研究和数值模拟相结合的方法，验证焊接方法选择与优化的效果。实验研究可以通过焊接试样的制备和测试，获取焊接过程中的温度场、应力场和变形场数据，验证焊接方法和参数的有效性。而数值模拟可以通过建立焊接过程的热-力耦合模型，模拟焊接过程中的温度和应力分布，预测焊接变形的情况，并进一步优化焊接参数。

  3.3 焊接工艺参数优化

（1）焊接速度

焊接速度是控制焊接过程中热影响区大小的关键因素之一。较大的焊接速度可以减小热影响区的尺寸，减少热输入，从而降低应力和变形的发生。然而，过大的焊接速度可能导致焊缝质量下降，因此需要在保证焊缝质量的前提下找到适当的焊接速度。

（2）焊接电流

焊接电流是控制焊接热输入的重要参数。合理调整焊接电流可以控制焊接过程中的热输入量，从而控制焊接材料的热膨胀和热应力，减小变形的发生。通常情况下，较小的焊接电流有助于减小变形，但同时也需要满足焊缝穿透能力和焊缝质量的要求。

（3）焊接环境

焊接的环境对焊接成型和焊接内在质量起到很大的影响，焊接环境主要分为外部环境和焊前本体的准备状态，外部环境主要是温度、湿度需满足工艺参数规定，焊接时的风力风速要求，以及焊前预热温度的要求；焊前本体准备状态主要包括焊接本体的除湿、除锈、除油、除底漆，以及焊接部位的光滑状态。焊接环境对于大型液化气船的焊接质量控制具有重要影响。通过合理的环境控制，可以保证焊接一次成型的合格率，减少返工，减少焊接变形。

（4）焊接顺序

正确的焊接顺序对于控制大型液化气船的焊接变形也非常重要。通过合理安排焊接顺序，可以减小焊接接头的变形程度。一般而言，焊接顺序宜从整体到局部，从中间往两边对称施焊，先外部后内部，先立角焊，后平角焊，先曲线部位，后平直部位，单条焊缝偏长，可以采用退焊或分段交叉退焊等方法，从而避免焊接应力积累并减小变形。

 3.4 变形补偿技术

（1）设计优化

通过在设计阶段考虑焊接变形的因素，并对结构进行合理的优化设计。例如，在连接件结构中采用抗变形设计，如设置留余空间或开槽等，以容纳焊接变形。此外，还可以采用适当的连接方式和支撑结构，以提高焊接结构的刚度和稳定性，从而减少变形。

（2）预测模拟

利用数值模拟和仿真，预测焊接过程中可能产生的变形情况。通过建立焊接过程的数值模型，考虑焊接工艺参数、材料特性和结构约束等因素，模拟出焊接过程中的温度场、应力场和变形场等信息。这样可以提前识别潜在的变形问题，并采取相应的补偿措施。

（3）补偿控制

根据预测模拟和实际测量结果，采取补偿措施来控制和减小焊接变形。常见的补偿方法包括焊后加热（局部回火）、机械拉伸、剪切等。通过对特定区域施加逆向的热应力，或者调整材料的应变状态，来抵消焊接引起的应力和变形，达到补偿效果。

（4） 实时监控

使用传感器和监测设备，实时监测焊接过程中的温度、应变和变形等数据。通过对数据的实时分析和处理，对焊接过程进行控制和调整，及时采取合适的补偿措施，以最大程度地减小焊接变形。

结束语

通过正确选择和优化焊接方法、焊接工艺参数以及应用变形补偿技术，可以有效控制和减小大型液化气船焊接过程中的变形。这将不仅提高焊接质量和工件性能，还能够确保结构的可靠性和安全性。在实践中，需要综合考虑各种因素，并结合实验研究和数值模拟来验证和优化焊接工艺。只有持续改进和不断学习，才能不断提高焊接技术水平，为大型液化气船的制造和运行提供稳定和可靠的支持。

参考文献

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