船体外板焊接变形激光热力矫正机理与精度控制研究

金属板材焊接广泛应用于船舶制造领域，目前采用的氧乙炔焰焊接变形热矫正主要依赖于人工经验，加工效率低且精度难以保证，直接影响了装配精度与工作性能。为了提高船体外板焊接变形矫正的效率和精度，本课题拟利用激光局部加热诱发的热应力与压应力相结合产生塑性应变，探索船体外板焊接变形高效、高精度激光热力矫正工艺规划策略。明确不同条件下板材变形产生的主要原因，揭示在预弯曲和残余应力条件下金属板材的激光热力变形机理；建立激光热力矫正工艺全过程仿真模型，结合试验研究，分析工艺参数、温度场和变形场之间的内在联系，研究船体外板激光热力矫正路径规划策略和加工参数确定方法，探讨不同尺度板材变形规律的可扩展性，为最终实现激光热力矫正自动化装备的研发提供理论依据。课题研究成果将充实和发展金属板材在剧烈变化温度场和非均匀约束条件下的高度非线性热力耦合基础理论，对于提高船舶的装配质量和促进装配制造业的发展具有重要意义。

金属板材焊接广泛应用于船舶制造领域，板材焊接过程中产生的非均匀温度场诱发不均匀热应力，导致焊接板材产生非期望变形，影响船体结构的装配精度与装备的工作性能。目前，船体外板热矫正通常采用氧乙炔焰为热源由有经验的熟练工人在焊接变形处手工加工，由于完全依靠工人的加工经验来实施，生产效率低，精度难以控制，对操作工人的经验和技术要求高，工作环境和劳动条件较差，已不能满足现代装备制造业的需要。为了提高船体外板焊接变形的矫正效率和精度，本课题提出利用激光局部加热诱发的热应力与压应力相结合产生塑性应变，研究复杂曲面变形高效、高精度激光热力矫正工艺规划方法。基于大变形弹塑性有限元理论，建立激光热矫正有限元物理模型；研究热力耦合机理，确定力的施加方式，分析温度场对热力耦合变形的影响。制定两类激光热矫正温度场特征参数，上下表面最高温度和高温区域宽度，探索各个激光工艺因素对于最高温度的影响，利用正交实验确定探索各个因素对于温度场特征参数影响顺序，并对于激光工艺的选择进行指导；研究非期望的产生原因，提出通过改变外力施加提高变形精度的控制方法；分析工艺参数、温度场和变形场之间的内在联系，探讨不同尺度板材温度分布与变形规律的可扩展性，提出温度与变形相似准则；对板材曲率的影响进行研究，提出构建矫正数据库的流程，研究复杂曲面激光热力矫正路径规划策略和参数确定方法。在热力耦合机理分析、加热路径影响规律等方面的研究成果发表学术论文5篇，其中SCI收录5篇；在成形精度控制方面成果申请发明专利1项且已授权；培养硕士研究生4名，其中2名已毕业，2名在读。课题研究成果发展了金属板材在剧烈变化温度场和非均匀约束条件下的高度非线性热力耦合基础理论，通过探索精度可控的热矫正工艺方法，基于激光热力结合进行船体外板焊后变形矫正可实现板材高效、高精度矫正，研究成果具有较大的应用前景。