焊接殘余應力對2 300客位滾裝船船體結構影響

黃 慧，馮 偉

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引言

大部分客滾船有著鋼板薄、設備板厚比之大很多的特點，這對焊接提出很高的要求。目前對客滾船因焊接殘余應力引起結構裂縫的研究還不是很多，本文以2 300客位車線滾裝船營運過程中產生的結構裂縫作為研究對象，建立全船有限元模型，分析焊接殘余應力對船體結構的不利影響。

1 焊接殘余應力和變形

焊接作為船舶制造業的重要組成工藝，是運用加熱等方式，將構件通過焊絲不可拆除地連接在一起的加工工藝。由于瞬時高熱量，構件在焊接過程中和焊接后將產生相當大的殘余應力和變形，不但可能引起焊縫完全斷裂，還會使船體結構強度變低。所以，了解焊接殘余應力的作用規律，懂得焊接殘余應力的消除方法對船舶的設計建造有著重要意義。

焊接殘余應力和變形是指隨焊接熱過程和冷卻過程焊接材料和焊接結構隨體積變化而出現相應變化的內應力和變形。

焊接應力一般有以下三種：

(1)縱向殘余應力(平行于焊縫方向)。焊縫中部為高的拉伸應力，其峰值可以達到屈服極限，而焊縫兩端引弧和熄弧為下降的壓縮應力。

(2)橫向殘余應力(垂直焊縫方向)，是由焊縫及其附近塑性變形區縱向收縮引起的焊接殘余應力以及焊縫及其附近塑性變形區收縮的不同時性所引起的殘余應力的綜合。

(3)厚度方向的殘余應力。通常來說，當板厚超過一定厚度或采用多層焊接時，由于焊接時沿厚度方向內部比表面冷卻緩慢或經過多次的焊接熱過程，會引起厚度方向的殘余應力。

焊接變形一般有整體變形和局部変形。整體變形是指整個結構的形狀或尺寸發生變化時是由于焊縫在各個方向收縮所引起的，包括直線變形、彎曲變形、扭曲變形等。局部變形是指結構的某種部分發生變形，包括角變形和波浪變形。

2 實例分析

2.1 實船現狀

2 300客位車線客滾船是一型短途國際航行，承載旅客、承運各類車型的客/車滾裝船。本船按照2類客船設計，具有多層連續甲板，上層建筑豐富的特點，穩性和船體結構強度設計滿足無限航區的客滾船要求。該船中橫剖面示意圖如圖1所示。從圖1得知，本船一共有10層甲板，車輛裝在第1、3、5層甲板上，旅客和船員區域布置在第7、8、9、10層甲板上。第9甲板布置了很多二等艙，不僅在船體兩側薄薄的外板上開了很多窗戶，還將外板做成槽形來增加藝術美感。

2 300客位車線客滾船一共有四條船：K11/K12和K15/K16，K15/K16是后一批交付運營的船舶。K16于2015年3月交付運營，運營1 a后發現，整船出現了22處裂縫，絕大多數裂縫均出現在窗戶上方兩側且垂直于焊縫方向，其裂紋如圖2所示；其他個別裂縫出現在窗框與外板肘板趾端之間，其裂紋如圖3所示。K16的這些裂縫在先于K16運營的同船型都沒出現過。

圖1 中橫剖面圖

圖2 實船窗戶區域的裂紋一

圖3 實船窗戶區域的裂紋二

2.2 有限元計算和結果分析

出現裂縫的地方位于九甲板上方的外圍壁區域，區域的外板上有大量的窗戶開孔，且外板形狀呈槽型，其外形圖如圖4所示。根據規范，在計算、校核船體結構總縱強度時，上層建筑部分是不計入考慮的。因此，為了排除船體總縱變形引起窗戶局部裂紋的可能性，本文建立了全船有限元模型，加載總縱彎矩包絡線，計算總縱強度對窗戶裂紋區域的影響。窗戶裂紋區域有限元模型如圖5所示。

有限元細網格計算如圖6所示，窗戶裂紋處的有限元計算如圖7所示。圖6和圖7的計算結果表明：最大應力值為256 MPa，應力最大的地方發生在窗戶與窗戶之間凹陷的邊角處和兩個窗戶之間的連接肘板上，并不在實際發生裂縫處。窗框上方垂直于焊縫的大開口裂縫處的應力值約為30 MPa，遠遠達不到撕裂如此大開口的程度。因此，通過理論計算發現，結構設計是合理的，不是導致裂紋的原因。

圖4 實船窗戶外觀

圖5 窗戶裂紋區域有限元細模

圖6 有限元細網格計算結果

圖7 窗戶裂紋處的有限元計算

在排除是結構設計缺陷導致結構強度減小而引發的大開口裂縫這個因素后，通過船廠調查、實船檢查，最終確定K16船的大開口裂縫是由焊接殘余應力引起的。

該層甲板上的窗框均為矩形結構，尺寸為44 mm×55 mm的鋼條，且是一個框型整體成品，有著足夠的剛度。所有窗框是船廠將分段合攏后，再直接與6.5 mm的外圍壁板焊接。由于板厚相差懸殊，為了保證焊接質量，船廠不得不采用更高熱度的焊接溫度，導致焊弧將焊絲條與母材熔化連接時，焊區周圍產生了不均勻的溫度場。在焊接過程中，焊接區域被急劇加熱并局部融化，焊接區域材料受熱膨脹。熱膨脹過程中，由于窗框與外板的板厚差，兩者的膨脹速率不一樣，并且周圍區域溫度相對較低，所以受到這些制約影響，焊接構件的彈性應變會產生壓縮應力，而受熱區域的屈服極限強度會明顯下降。當產生的壓縮應力超過該屈服極限強度時，焊接區形成塑性熱壓縮，冷卻后，比周圍區域相對縮短，因此焊接區域就呈現拉伸殘余應力，周圍區域則承受壓縮殘余應力。由于這種原因導致的焊接殘余應力主要為橫向殘余應力，即應力方向垂直于焊縫方向。

另外，由于窗框和窗戶連接肘板的存在，使得它們之間的外板邊界剛性也很大，導致了焊接過程中它們周圍的焊接構件不能自由地收縮，很大程度上抑制了焊接變形，使得該區域焊后變形小，外板內部的焊接殘余應力進一步加大，因此K16船才會出現多處圖2所示的大開口裂縫。圖3的裂縫是由于外板與外板在焊接過程中，焊縫質量缺陷導致焊接殘余應力在此處釋放，形成大開口裂縫。

2.3 解決辦法

從焊接殘余應力的產生過程來看，由于窗戶與外板的焊接區域產生了塑性壓縮性形變，從而導致內部形成了殘余應力，且在窗戶與外板焊接時，窗戶玻璃等已經嵌入窗框里，常規的焊后熱處理、錘擊等方法會對窗戶產生潛在的破壞危險。因此，焊接時可以采取使焊縫區外板產生適當的塑性伸長量來解決問題。

由于是焊接殘余應力和變形引起的裂縫和裂紋，因此建議船廠焊接時不要通過火工矯正外板變形，將裂縫補焊重合，而是采取將大開口裂縫區域和已產生小裂紋區域的外板割掉，釋放出焊接殘余應力。根據焊接經驗，可采取將補板增加一點焊接預伸長變形余量，并對構件進行提前預熱的方法。修補后的K16船運營1 a后，此大開口裂縫事故沒有再次發生。 在造船工藝中，大量用到角焊接和T型接頭，對于高應力區域還會要求采用深熔焊或者全焊透。具體的焊接要求和焊接區域，船級社規范有明確的說明。焊接時要特別注意高應力區、特殊節點或者厚度較厚的板的焊接。船廠可采取適當的降低焊接殘余應力的措施，如：采用較低熱量的焊接方式；采用合理的焊接順序；減少分段上船臺后的焊接量；施焊前使焊件有一個和變形相反的預變形。

3 結語

在客滾船的建造過程中，會大量用到填角焊形式，船體板厚通常比設備板厚薄很多，因而會對焊接有著更高的要求。焊接時必須根據船體構件及其建造過程的特點有針對性的采取處理措施，如采用相對低熱量的焊接方法來避免薄板的相對焊接變形，或者窗框與外板焊接放在上船臺之前完成，但在建造過程中如何因地制宜地采取某些具體步驟和措施還有待進一步研究探討。

參考文獻：

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