超大型集裝箱船用超高強度鋼EH47焊接殘余應力模擬與實驗研究

周宏，蔣志勇，劉建峰，鄭昕，胡小才，朱玉龍

（1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超大型集裝箱船用超高強度鋼EH47焊接殘余應力模擬與實驗研究

周宏1，蔣志勇1，劉建峰2，鄭昕2，胡小才2，朱玉龍2

（1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超高強度鋼EH47廣泛應用于超大型集裝箱船艙口圍板等區域結構中，建造過程中常常伴隨著較大的焊接殘余應力，直接影響到船體結構的安全及使用壽命。論文基于有限元分析軟件ANSYS，對平板對接焊進行模擬，得到焊接殘余應力的大小和分布，并采用盲孔法對焊縫區域進行殘余應力測量。結果表明:殘余應力在靠近焊縫中心及區域附近處表現為拉應力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應力迅速增大，當達到焊縫中心附近時拉應力達到最大值。隨著逐漸遠離焊縫中心，拉應力迅速減小，達到一定距離時轉變為壓應力，并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應力最大值，數值模擬結果與試驗測量值基本吻合，同時焊后熱處理能有效降低有損結構強度的焊接殘余應力。

集裝箱船；EH47鋼；焊接；殘余應力

0 引言

近年來，隨著集裝箱船建造的規模越來越大，為得到足夠的船體縱向強度，越來越厚的高強度鋼板在大型集裝箱船的上甲板區域進行應用。作為工業革新的最新成果，屈服強度達到460 MPa的EH47級超高強度鋼被引入使用在集裝箱船的上甲板區域結構，特別是艙口圍板結構，以達到降低使用鋼板厚度，減輕船舶的空船重量，提高航運經濟性的目的。探明超高強度鋼EH47的焊接殘余應力規律，對于評定焊接接頭產生工藝缺陷的傾向，為制定出合理的焊接工藝提供可靠的理論依據。

1 平板對接焊實驗

1.1 EH47鋼可焊性分析

碳含量是影響低合金鋼裂紋敏感性的最重要因素。按照國際焊接學會（IIW）提出的Ceq計算公式[1]及日本ITO提出的焊接冷裂紋敏感性指數Pcm公式[2]，根據70 mm厚的EH47化學成分數據，得Ceq= 0.43%和Pcm=0.18%。

日本焊接協會規定Pcm≤0.20%作為評定高強鋼焊接冷裂紋敏感性可焊接性的指標之一，而EH47鋼的Pcm為0.18%，冷裂紋敏感性比較低不易產生裂紋。從格瑞維勒Graville焊接性評價圖[3]可見C含量0.06%，Ceq為0.43%處于區域I易焊接區，表明EH47鋼的可焊接性比較好。

焊接冷裂紋敏感性跟拘束度和擴散氫含量也有密切關系[4]。不同厚度的板，其拘束度也不同。隨著板厚度的增加，拘束度會有所增加，焊縫產生裂紋的可能性也隨之增加，即產生冷裂紋敏感性增加。當熱輸入過高時，熱影響區的晶粒粗化，塑性降低從而增加裂紋產生的可能性；當熱輸入過小時，焊縫區除了會出現未融合等缺陷外還容易出現淬硬馬氏體組織，這也會導致裂紋的產生。

為了防止EH47焊后冷裂紋的出現，可通過預熱來提高鋼板的可焊接性。根據預熱溫度T0/℃的經驗公式[5]，結合實際生產實際，EH47鋼焊前預熱溫度確定為80℃。

1.2 焊接實驗方案

本研究選用400 mm*200 mm*70 mm規格的EH47厚板，拼成兩幅試板，如圖1所示。焊前預熱80℃，無焊后熱處理的試板標記為1號板；焊前預熱80℃，焊后熱處理500℃三小時的試板標記為2號板，采用埋弧自動焊焊（SAW），焊接工藝參數見表1所示。焊接坡口均采用X型，坡口角度為42°，焊道布置為共28道，16層，如圖2所示。焊絲型號為Y-CMS（Φ4.8 mm），藥劑型號為NB-55。焊接順序為從編號1到28道焊縫依次燒焊。

焊前采用加熱板預熱，預熱溫度為80℃，如圖3所示。2號試板焊接完成后，將加熱板連同保溫棉一起覆蓋在試板上，調溫至500℃持續三小時，如圖4所示。

圖1 實驗板材Fig.1 The experimental plate

圖2 焊道布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding

表1 焊接工藝參數Tab.1 Welding Parameter of steel EH47

圖3 焊前預熱處理Fig.3 Preheat before welding

圖4 2號試件焊后熱處理Fig.4 Heat treatment after welding of No.2 plate

1.3 試驗結果分析與討論

1.3.1 試驗結果與討論

應力檢測點位置如圖5所示，1號試板焊接殘余應力分布規律如圖6所示。

從圖6（a）可見，1號試板沿焊縫橫向方向的縱向殘余應力在靠近焊縫中心及區域附近為正值表現為拉應力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應力迅速增大，當達到焊縫中心點時拉應力達到最大值214MPa。縱向應力在遠離焊縫區為負值表現為壓應力，在遠離焊縫時拉應力迅速減小，當達到一定距離時轉變為壓應力并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應力最大值，然后隨著繼續遠離焊縫，壓應力逐漸減小。

圖5 應力測試點位置Fig.5 The position stress test

圖6 1號試板焊接應力分布Fig.6 The welding stress distribution of No.1 plate

原因在于焊縫在填充過程中，焊縫中心處于熔池中心位置，熱輸入過于集中，溫度最高，使得焊縫中心材料發生最大限度的膨脹，但在冷卻過程中收縮又受到限制，所以使得發生最大膨脹的中心位置出現了最大拉應力。由于溫度過高，使得靠近焊縫區的母材屈服極限下降，熱應力超出母材屈服極限，使得母材局部發生壓縮變形，結果導致在遠離焊縫中心大約4 cm處的母材產生了最大壓應力。所以才會出現在焊縫中心處產生最大拉應力，而在遠離焊趾2.5 cm處產生最大壓應力的現象。

1號試板沿焊縫橫向方向的橫向殘余應力σx的分布趨勢和σz相似，但在焊縫區的數值明顯小于σz的值。由于熱源的縱向移動和坡口相對于狹窄，使得填充的焊材更傾向于沿焊縫縱向發生膨脹變形，冷卻收縮受阻的時候縱向拉應力肯定更大。

從圖6（b）可見，1號試板沿焊縫縱向方向的縱向應力和橫向應力均處于平穩狀態，縱向應力大約60 MPa，橫向應力大約28 MPa。原因在于所測點距離起弧和熄弧位置相對較遠，電流和電壓比較穩定，熱輸入及焊接速度穩定，故應力場分布也較穩定。

2號試板與1號試板的焊接殘余應力分布比較如圖7所示。

從圖7可見，2號試板焊接殘余應力分布規律與1號試板基本一致，但應力數值總體有所下降。原因在于焊后熱處理階段，試板溫度不斷升高，材料屈服極限隨著溫度的升高而降低，同時焊接殘余應力會隨著材料屈服極限的降低而降低，且伴隨著蠕變現象（高溫松弛）殘余應力降低。

圖7 2號試板與1號試板焊接殘余應力分布對比圖Fig.7 The comparison chart of the welding residual stress distribution of two plates

2 焊接數值模擬

2.1 計算幾何模型

模型仍采用400 mm×400 mm×70 m的鋼板焊接而成，坡口角度為42°。有限元模型單元數62 482個，節點數24 960個，有限元網格模型如圖8所示。

2.2 材料高溫物理性能參數

數值模擬計算過程中所需要的材料物理性能隨溫度變化而變化，如表2所示。

表2 EH47鋼的熱物理性能參數Tab.2 Thermal physical properties of EH47 steel

2.3 模擬與試驗結果的比較

根據實驗的檢測點分布，按圖9所示路徑進行殘余應力檢測，A-A路徑是垂直平分焊縫的檢測線，B-B路徑為焊縫下5 mm處平行焊縫的檢測線。

圖10為1號板材焊接殘余應力的數值模擬值與試驗結果的對比。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

圖9 應力取點位置圖Fig.9 The diagram of stress point position

圖10 1號板材試驗結果與模擬數值比較Fig.10 The comparison of test results and numerical of No.1 plate

從圖10（a）可見，實驗數值σx曲線上所測的9個點，從左到右分別對應的是1-9號應變片所測的數值，處在焊縫中心的5號點正好落在數值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數據和實測數據是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區域的σx數值，模擬數值和實驗數值基本吻合。

遠離焊縫區1-3號點和7-9號點的實驗數值和模擬數值差別較大，實驗數值為負值，模擬數值除7號點外均為正值。原因在于鋼板材質的不均勻性，使得局部壓應力比較大，然后隨著逐漸遠離焊縫區，壓應力越來越小，且數值模型中焊道和坡口簡化，網格劃分不夠精密。

從圖10（b）可見，實驗數值σz曲線上所測的9個點，從左到右分別對應的是1-9號應變片所測的數值，處在焊縫中心的5號點正好落在數值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數據和實測數據基本上是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區域的σz數值，模擬數值和實驗數值基本吻合。其它6個點位置的應力數值雖然相差一點但趨勢基本相同。

從圖10（c）可見，沿焊縫中間30 cm區域內，縱向殘余應力σz處于穩定狀態，實際所測數值和模型的趨勢比較相符，數值大小上有所差異。實際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測點比較遠，故實驗所測點的應力數值曲線兩端沒有下降的趨勢。

圖11為2號板材焊接殘余應力的數值模擬值與試驗結果的對比。

從圖11（a）可見，在靠近焊縫區域附近即4-6號應力點為正值拉應力，實驗所測點和模型數據曲線相靠近。遠離焊縫區域的點為負值壓應力，和模型數據曲線趨勢相符合。模型數據曲線在最高點處有兩個峰值，原因在于焊縫在蓋面處是分兩道蓋的，熱源中心位置有兩個，在兩個熱源相互作用情況下出現了兩個峰值的現象。模型曲線應力存在一個最低點，大約在-38 MPa，為壓應力，壓應力對構件來說是好的，能增強局部的拉伸極限強度。

從圖11（b）可見，實驗數值σz曲線上所測的9個點，從左到右分別對應的是1-9號應變片所測的數值，處在焊縫中心的5號點正好落在數值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數據和實測數據是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區域的σx數值，模擬數值和實驗數值基本吻合。其它6個點位置的應力數值雖然相差一點，但趨勢也基本一樣。

從圖11（c）可見，沿焊縫中間30 cm區域內，縱向殘余應力σz的數值處于穩定狀態，實際所測數值和模型的趨勢比較相符，數值大小上有所差異。實際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測點比較遠，故實驗所測應力值曲線兩端沒有下降的趨勢。

3 結論

（1）垂直焊縫方向的殘余應力在靠近焊縫中心及區域附近處表現為拉應力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應力迅速增大，當達到焊縫中心附近時拉應力達到最大值。隨著逐漸遠離焊縫中心，拉應力迅速減小，達到一定距離時轉變為壓應力（負值），并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應力最大值，然后隨著繼續遠離焊縫中心，壓應力越來越小。整個焊接殘余應力關于焊縫中心線大致呈對稱分布。

（2）從平行焊縫方向的焊縫殘余應力在起弧和熄弧位置處數值很低，隨著遠離初始位置，殘余應力數值迅速達到最大值，并維持很長一段距離的平穩性，數值基本保持不變。但當接近熄弧位置處殘余應力迅速減小到最小值，整個應力分布關于焊縫中心大致呈對稱分布。

（3）焊后熱處理對焊接殘余應力有比較好的緩解作用，能降低有損結構強度的最大焊接拉應力的數值，多層多道焊的最終蓋面層的分道形式，對焊縫處殘余應力最大值出現的位置有一定的影響。

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Research on Ultra Large Container Ship ultra-high-strength steel EH47 welding residual stress simulation and experiment

ZHOU Hong1,JIANG Zhi-yong1,LIU Jian-feng2,ZHENG Xin2,HU Xiao-cai2,ZHU Yü-long2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China;2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd,Shanghai 200137,China)

EH47 ultra-high-strength steel is widely used in regional structures of ultra large container hatch hoardings,the construction process is often accompanied by high welding residual stress which directly affects the security and life of the hull structure.The thesis based on finite element analysis software ANSYS, simulated for flat butt welding and obtained the size and distribution of welding residual stress,and used blind hole method for the weld area residual stress measurement.The results show that residual stresses near the weld area and the center showed tensile stress,with the gradual approach to the weld center,the tensile stress increases rapidly,when it reaches near the center of the weld,tensile stress reaches a maximum. With moving away from the center of the weld,the tensile stress decreases rapidly,up to a certain distance changes into compressive stress and compressive stress reaches a maximum at a distance of 2.5 centimeter at the weld toe,the simulation results are consistent with the experiment measured values,and heat treatment after welding can effectively reduce detrimental to the structural strength of the welding residual stresses.

container;EH47 ultra-high-strength steel;welding;residual stresse

TG481

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.08.008

1007-7294（2017）08-0993-08

2017-04-19

國家自然科學基金（E091002）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（PAPD）；江蘇省高校自然科學研究重大項目（14KJA570001）；高技術船舶科研專項子專題（15921019518）

周宏（1974-），男，博士，教授，碩士研究生導師，E-mail:zjcyzh@163.com；蔣志勇（1956-），男，教授，碩士研究生導師，E-mail:just_jzy@163.com。