船用大尺度薄板焊接工藝仿真及變形機理研究

王秋平，許 靜，吳百公，鞠理楊，馮敏超，孫建志

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212000；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引言

船用薄板在建造過程中存在大量焊接結構。在焊接過程中由于焊接處與非焊接處受熱情況不一致，導致薄板在冷卻后存在殘余應力，進而引起薄板變形。焊接變形和殘余應力是由焊接部分在加熱過程中的熱膨脹和收縮引起的塑性收縮產生的，這將大大降低焊接結構的幾何精度和結構強度，降低產品可靠性，推遲造船生產時間[1]薄板內部殘余應力的大小、分布趨勢會受到很多因素的影響，包括材料的特性、焊接方法、焊接參數、焊道層數、焊后熱處理等。不同的焊接方法和焊接工藝產生的溫度場不同，形成的熱變形也不同。焊接溫度場瞬態變化對焊件的性能有很大的影響[2]。為了保證較高的生產效率，采用恰當的焊接工藝控制薄板的變形至關重要。

預測和估計焊接殘余應力和變形是非常必要的，而解決該問題最有效的方式之一是采用有限元方法計算模擬焊接行為[3-4]。TCHOUMI等[5]通過研究焊接速度對薄板變形的影響，發現焊接速度與熱輸入量直接相關，適當的焊接速度有利于減小機械變形和應力。毛遠[6]在對高強鋼薄板焊接變形機制研究的過程中，采用控制變量法，進行多組數值模擬計算，其結果發現：板的尺寸達到一定大的時候，在焊接工藝參數相同的情況下，板內殘余應力分布趨于一致。由于大型船用甲板都是尺寸較大的薄板拼接在一起，為了減少計算量又接近實際情況，本文薄板尺寸的選擇有3種，分別為50 mm×50 mm×5 mm、100 mm×100 mm×5 mm、200 mm×200 mm×5 mm，采用有限元法探究焊接工藝對不同薄板尺寸變形的影響規律，旨在為船舶制造中大尺度薄板的焊接工藝研究提供參考。

1 研究方案

1.1 熱源選擇與網格劃分

焊接熱源一般有雙橢球熱源模型和高斯熱源模型。為了更接近實際的焊接工藝，采用雙橢球熱源模型，見圖1。前、后兩橢球內的熱流密度分布各不相同，前、后兩部分橢球熱流密度公式定義為[7-8]

a、b、cf、cb—熱源形狀參數.圖1 雙橢球體熱源模型

式中：f1、f2為前后兩部分橢球體的能量分配系數，且f1+f2=2，一般f1取2/3，f2取4/3；a、b、cf、cb為熱源形狀參數，相互獨立；Q為熱輸入功率，Q=ηUI，η為焊接效率，U為焊接電壓，I為焊接電流。

本文主要研究焊接結束后的殘余應力和變形，重點考慮對象是溫度和應力應變的瞬態演變。為了縮短計算時間，保證計算的收斂性，在建模時做如下假設：

(1)不考慮焊接過程中的化學變化，忽略熔池作用。

(2)工件通過與空氣的對流換熱和熱輻射進行散熱。

(3)不考慮母材與焊條材料的不同。

金屬材料的各種物理性能一般都會隨溫度變化而發生變化。焊接過程中溫度變化十分劇烈，必須考慮材料屬性的變化，在自定義材料時給出各屬性隨溫度變化的數學變化關系。薄板材料選用結構鋼，其熱物理性能見表1。

表1 結構鋼熱物理性能參數

由于焊接過程溫度變化十分劇烈，在材料內分布極度不均勻，靠近焊縫的地方在微小的距離就能產生極大的溫度差，因此為了保證計算效率和計算精度，采用漸變式的網格劃分方法。在靠近焊縫的區域選擇細密的單元網格，網格尺寸為1 mm；在離焊縫較遠的位置采用相對稀疏的單元網格，網格尺寸為3 mm，并且網格由板塊邊緣向焊縫的方向逐漸致密，見圖2。在能保證計算精度的前提下，盡量使模型的網格總數較少。

圖2 薄板及焊縫網格劃分

1.2 邊界條件設置

焊接溫度場模擬的邊界條件：環境溫度、對流換熱及輻射傳熱。環境溫度取室溫T0=20 ℃，并假定在焊接過程中不發生變化。對流換熱與輻射傳熱按下式計算：

q=h(Ts-Ta)

式中：q為對流換熱熱流密度，W/m2；Ts為工件表面溫度，K；Ta為周圍環境溫度，K；h為對流換熱與輻射傳熱的綜合傳熱系數，W/(m2·K)，按下式取值：

2 研究結果及分析

2.1 不同薄板尺寸的焊接變形機理

焊接過程中，接頭處有限的部分獲得輸入能量大，這部分和周圍處于熔融狀態，將接頭兩個分離的部分連接起來。焊接移動熱源作用下，沿著焊縫方向，中心溫度最高。而遠離熱源處的溫度逐漸降低，對接接頭的溫度場等溫線呈橢圓狀分布，見圖3，沿著焊接掃描方向前端溫度高于后端，溫度場的輪廓線軌跡呈現彗星狀，符合雙橢球熱源能量密度的空間分布情況。隨著薄板尺寸增加，熔池中心所能達到最高溫度略有增加，溫度場分布形狀逐漸趨向細長橢圓形。結合變形情況可知，見圖4，沿著焊接軌跡中心向兩側產生拉應力，使熔池凝固后產生凸起，特別在焊接開始和結束的位置，變形情況明顯，而中間部位變形較均勻。在焊接初始階段和結束時，溫度場的變化非常劇烈且不均勻，導致形成較大的溫度梯度。但隨著加工的進行，焊件會受到已加工部分的預熱，溫度變化區域穩定，準穩態溫度場逐漸在焊件上形成，因而產生的熱應力相對較小。在高溫區域材料的熱膨脹必然要受到周圍區域的約束，除了接頭的開始和結束部分外，大部分接頭的橫截面應保持平面，其力學行為是由對熱膨脹的強烈縱向約束引起的，而橫向約束非常低，可以假定為是不受約束的。

圖3 不同薄板尺寸表面溫度場分布情況

圖4 不同薄板尺寸表面變形情況

薄板為對稱分布，沿著截面剖開，觀察溫度場的分布狀態，見圖5(a)。隨著焊接過程的進行，上表面溫度由中心向四周發散，截面溫度由上向下傳遞，不同時間節點位置，受熱應力場的影響，都會引起薄板的瞬時變形，見圖5(b)。變形程度隨著焊接光源移動有所減緩，這是由于下一節點受已加工段的溫度預熱影響，使焊接殘余應力降低。而靠近薄板邊緣處的變形程度較明顯，推測是該位置處與空氣接觸，熱導率較快引起的。隨著薄板尺寸變大，其變形情況相比較于前2種薄板尺寸的焊接結果更加集中，而薄板中心位置處無變形，說明該處的殘余應力已得到有效釋放，證明中心部位的焊接質量較高。

圖5 不同薄板尺寸縱截面溫度場分布和變形情況

為了進一步闡述不同薄板尺寸對焊接變形的影響機制，圖6(a)～(c)繪制了沿著焊接方向上的起點、中間和終點溫度隨時間變化曲線分布情況。隨著焊接過程的進行，前一節點熔化形成的溫度場會對后一節點產生預熱作用，因此后一節點所能達到的溫度值要高于前一節點，即終點>中間>起點。當某一位置達到最高溫度后，要以一定的冷卻速率冷卻[9]。以中間位置為例，3種不同薄板尺寸所能達到的最高溫度值近乎相同，但薄板尺寸越大，下降至平穩狀態時的溫度值越小。由于薄板尺寸越大，完成焊接過程所需的時間越長，因此能夠維持平穩溫度的時間越長，使得薄板有足夠的時間對產生的熱應力進行釋放，即中間位置的瞬時殘余應力值逐漸降低，沒有變形的產生。而焊縫方向兩端，瞬時的熱輸入導致溫度急劇升高，在薄板內部產生較大的溫度梯度，因而殘余應力升高明顯，導致大量變形。

圖6 不同薄板尺寸不同位置溫度隨時間變化曲線

2.2 不同焊接速度的薄板變形機理

以尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的薄板為研究對象，采用有限元模擬不同焊接速度條件下表面和縱截面溫度場和變形分布情況。在焊接速度為4 mm/s時，溫度場中心所能達到的溫度值最高，但隨著焊接速度的增大，最高溫度值呈下降趨勢。這可以進一步解釋為：焊接速度越慢，停留在某一節點的單位時間越長；該節點所接受的能量密度越多，熔化量增多，導致熔池中心溫度顯著升高，較高的熱溫度梯度引起焊后內部熱應力增加，導致較大變形的發生。然而，當焊接速度越快時，沿縱截面溫度傳導的深度將變淺，導致溫度梯度降低，變形程度減小。因此，在實際的薄板焊接過程中，要選取合適的焊接速度，既要保證足夠的熱輸入量確保連接性，又要盡量抑制焊后變形。

3 結論

(1)隨著薄板尺寸增加，溫度場分布形狀逐漸趨向細長橢圓形，沿著焊接軌跡中心向兩側產生拉應力，在焊接開始和結束的位置變形明顯，而中間部位變形相對均勻。

(2)薄板尺寸越大，完成焊接所需的時間越長，能夠維持平穩溫度的時間增加，使薄板有足夠的時間釋放熱應力。

(3)焊接速度影響節點單位時間輸入能量的多少，焊接速度越低，熔池中心所能達到溫度值越高，溫度梯度越大，變形程度越明顯。