低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)對(duì)船舶制造的影響

沈佳佳 周 宏,2 矯 楊 周佳鋒

（1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；3.北京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100124）

焊接是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的過(guò)程，它涉及多學(xué)科領(lǐng)域的交錯(cuò)融合，包括物理傳熱、化學(xué)、冶金等。因此，焊接變形是焊接作業(yè)中不可避免的現(xiàn)象。

殘余應(yīng)力和焊接失穩(wěn)變形會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，破壞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，降低承載力等，這將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量及安全性。尤其對(duì)于薄板構(gòu)件來(lái)說(shuō)，焊后常會(huì)因很小的焊接殘余應(yīng)力的存在而發(fā)生翹曲、扭轉(zhuǎn)等失穩(wěn)變形，甚至給整個(gè)工程帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的損失，所以如何預(yù)測(cè)和控制焊接失穩(wěn)變形一直是焊接領(lǐng)域大量學(xué)者研究的重點(diǎn)。在船舶制造業(yè)中，控制并降低殘余應(yīng)力也是實(shí)現(xiàn)輕量化造船以及精度造船的關(guān)鍵。因此，將低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)運(yùn)用到船舶制造業(yè)中就顯得尤為重要。

1 低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)

傳統(tǒng)的控制焊接殘余應(yīng)力的方法通常是選擇合理的焊縫尺寸和形式，在船舶制造中，無(wú)論采取焊前、焊中還是焊后控制殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生，都會(huì)增加人力、物力、財(cái)力，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。由此可見(jiàn)，低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)的研究具備很高的研究?jī)r(jià)值。

學(xué)者關(guān)橋等人針對(duì)防止薄壁構(gòu)件焊接失穩(wěn)變形，首次提出了低應(yīng)力無(wú)變形的焊接技術(shù)，并建立一個(gè)特殊構(gòu)造的熱潭（冷源）跟隨焊接電弧，構(gòu)成“熱源-熱潭”多源系統(tǒng)，熔池后的高溫焊縫區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部冷卻拉伸作用，改變焊接時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形，從而有效地控制焊接失穩(wěn)變形，這一焊接新技術(shù)在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。Yang等也使用了相同的方法來(lái)消除薄板的焊接失穩(wěn)變形，其中，液氮被選擇作為冷卻媒介，而焊槍和冷卻噴嘴之間的距離經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析等方式優(yōu)化之后確定[2]。趙利華等人通過(guò)對(duì)常規(guī)氣體保護(hù)焊和動(dòng)態(tài)低應(yīng)力無(wú)變形的仿真分析，得出最優(yōu)參數(shù)下的動(dòng)態(tài)低應(yīng)力無(wú)變形焊接控制變形的效果更明顯[3]。龍昕等用外部冷源及熱源來(lái)調(diào)節(jié)原來(lái)的焊接溫度場(chǎng)，很好地解決了薄板的應(yīng)力腐蝕和焊接撓曲變形[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也曾用隨焊激冷法，其原理類(lèi)似于動(dòng)態(tài)低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)[5]。許輝等人發(fā)現(xiàn)在一定參數(shù)范圍內(nèi)，激光作為輔助熱源可以改善焊件成型，消除因焊接速度過(guò)高而產(chǎn)生的表面缺陷[6]。

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

高強(qiáng)鋼含有較高的合金元素，在熱作用下容易產(chǎn)生塑性變形。因此，本文以厚度為3mm的AH36高強(qiáng)鋼薄板為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)研究。

2.2 網(wǎng)格劃分和約束條件

考慮到本文研究的對(duì)象是幾何尺寸為200mm×200mm×3mm的AH36高強(qiáng)鋼平板對(duì)接，為了保證焊透，開(kāi)60°的V型坡口，因此可以直接在ANSYS中建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在應(yīng)力計(jì)算時(shí)，為了防止剛體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，在模型上三點(diǎn)約束。在節(jié)點(diǎn)A處施加x、y和z三個(gè)方向約束，在節(jié)點(diǎn)B處施加y和z方向約束，在節(jié)點(diǎn)C處施加y方向約束。應(yīng)力計(jì)算的路徑如圖1所示。

圖1 應(yīng)力計(jì)算的路徑

3 添加輔助冷源的有限元模擬分析

在本文中，冷源的選取為干冰，借助噴槍直接從噴嘴處噴射到試板上。具體來(lái)說(shuō)，在焊槍后施加一個(gè)跟隨焊槍同步運(yùn)動(dòng)的冷源，冷源的分布為高斯分布。本文對(duì)冷源的三種寬度，即冷源比焊縫窄、冷源與焊縫同寬以及冷源比焊縫寬進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析。相關(guān)研究表明，縱向殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊接失穩(wěn)變形的根源，因此上述四條路徑在三種不同寬度冷源作用下的殘余應(yīng)力場(chǎng)如圖2所示。

圖2 不同路徑不同寬窄冷源下的縱向殘余應(yīng)力

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輔助冷源的寬度比焊縫寬時(shí)，控制殘余應(yīng)力產(chǎn)生的效果更好。

4 結(jié)論

在船舶制造業(yè)中，控制并降低殘余應(yīng)力是實(shí)現(xiàn)輕量化造船和精度造船的關(guān)鍵。因此，將低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)運(yùn)用到船舶制造業(yè)中就顯得尤為重要。縱向殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊接失穩(wěn)變形的根源，研究表明，當(dāng)輔助冷源的寬度比焊縫寬時(shí)，控制殘余應(yīng)力產(chǎn)生的效果更好。