高強鋼CO2焊打底層焊縫有限元分析

劉 鑫，江澤新，劉 博，馬金軍

廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462

0 前言

目前，船舶建造行業普遍采用CO2氣保護藥芯焊絲來焊接船體結構，使用率達80%以上[1]。CO2焊匹配陶瓷襯墊進行焊接，免除了反面坡口氣刨，容易形成優質的焊縫，可提高工作效率，廣泛應用于分段建造、船體合攏中內底板、甲板拼接焊縫等工況[2]。但在此類工況條件下，打底焊道正面時常產生焊接裂紋，具體表現為焊縫中心會產生長短不一、深淺不同的縱向裂紋，這些裂紋在后續的焊接過程中未被清除，就會形成藏于焊縫的內裂紋，存在很大的安全隱患，嚴重影響生產效率和結構安全[2]。由此可見，打底層焊接是多層多道焊接過程中最重要的工藝過程，其質量是決定焊縫成形及其性能優劣的基礎。

在打底層焊接過程中，焊接溫度場、焊后殘余應力、焊接變形是影響焊縫質量的重要且不確定因素，受到很多外在環境的影響，如焊接參數、載荷形式、加載幅度、材料特性等[3-7]。為提高船舶打底層焊接的生產質量，進一步優化焊接工藝，減少打底裂紋的產生，需對打底層焊縫進行質量研究，但目前對打底層焊縫進行質量分析的研究較少，因此對打底層焊縫進行有限元分析有較大的意義。本文采用ABAQUS軟件對10 mm厚高強鋼AH36平對接試板進行CO2陶瓷襯墊打底層焊縫焊接有限元分析試驗，研究打底層焊縫的溫度場、殘余應力、焊接變形的變化情況，分析打底裂紋產生的原因，分析結果可以為打底層焊接提供相關的理論基礎。

1 有限元分析準備

1.1 試驗材料

試驗材料選用船舶生產常用高強鋼AH36，其熱物理性能參數如圖1所示[8]。平對接試板的尺寸為360 mm×300 mm×10 mm，坡口角度為45°，裝配間隙6 mm，試驗針對打底焊縫進行研究，需要將焊縫背面余高畫出，余高高度1.5 mm、寬度12 mm，如圖2所示。

圖1 AH36鋼的熱物理性能參數Fig.1 Thermophysical property parameters ofAH36 steel

圖2 有限元分析坡口及余高模型Fig.2 Finite element analysis groove and reinforcement model

1.2 焊接方法及參數

試驗模擬CO2半自動焊接，打底焊接過程中存在熔池沿著板寬方向上的擺動。定義焊縫熱輸入量相同為15.4 kJ/cm，采用三組不同的焊接參數編號為 1#、2#、3#，1#焊接熱功率為 3.312 kJ/s、2#為5.376 kJ/s、3#為7.680 kJ/s，詳細的焊接參數如表1所示。

表1 焊接參數Table 1 Welding parameters

1.3 網格劃分

在焊接過程中，焊縫及熱影響區的網格活動劇烈，遠離焊縫的網格活動平緩。為增加有限元分析效率，同時保證分析精度，將焊縫及熱影響區的網格劃分比較密集，其余區域采用均勻過渡式網格劃分法，遠離焊縫區域的網格經過兩次過渡將網格尺寸增加且數量降低。總網格數量為11 636個，最小網格尺寸為2 mm，最大網格尺寸為12 mm，網格類型為8節點6面體單元，如圖3所示。

圖3 有限元分析網格劃分Fig.3 Mesh generation of finite element analysis

1.4 邊界條件設置

在實際的CO2焊接過程中，需要在試板背面添加卡碼，固定試板的相對位置；在焊縫背面添加陶瓷襯墊，對熔池具有一定的保溫作用。在有限元分析中需要在相同的位置模擬卡碼裝配，如圖4所示。在焊縫背面余高及其附近的表面需要降低焊縫的散熱速度，約為焊接模型其余區域散熱速度的1/3，以模擬陶瓷襯墊的保溫作用，如圖5所示。定義空氣熱對流系數10，熱輻射率0.8，絕對零度-273.15℃，波爾茲曼常數5.67×10-8，固相線溫度1 450℃，液相線溫度1 500℃，熔化潛熱270 kJ/kg，試板初始溫度20℃。

圖4 模擬焊接卡碼Fig.4 Simulated welding card code

圖5 模擬陶瓷襯墊保溫Fig.5 Simulated ceramic liner insulation

2 試驗結果與分析

2.1 焊接溫度場

焊縫溫度場分布云圖如圖6所示，將1 500℃以上的溫度定義為熔池，1#熔池最高溫度約2 100℃，2#熔池最高溫度約為2 300℃，3#熔池最高溫度約為2 500℃，均在鋼的熔點溫度（1 500℃）與氣化溫度（2 750℃）之間，熱影響區的溫度均在1 377℃～1 500℃，觀察左側熔池截面溫度場分布云圖，三種方案焊縫熔池均已熔透至焊縫根部，但在實際焊接時，焊縫背面匹配陶瓷襯墊，不會發生熔穿現象，焊接過程穩定進行。

圖6 焊縫溫度場分布云圖Fig.6 Distribution nephogram of weld temperature field

由圖6可知，在焊接階段，隨著熱量的不斷輸入，熔池產生，焊接熱傳遞使得熱量從熔池流向兩側試板。1#試板熱量覆蓋區域最為顯著，焊接熱輸入量一致，焊接熱功率越小，產生的熱量有較多的時間流向焊接試板，導致熔池的溫度下降；而2#、3#方案，隨著焊接熱功率增加，焊接速度快且時間短，熱量不能充分的流向兩側試板從而集中在熔池區，焊縫熔池溫度升高。由此可知，在焊接過程中，焊接熱輸入量一致，采用較小的焊接熱功率，可以降低焊縫熔池的溫度，同時焊接熱影響區的板材也可以得到充分加熱。

在打底層焊縫中心選擇任意5點繪制溫度隨時間變化的特性曲線，如圖7所示。根據特性曲線顯示，1#、2#、3#焊縫中心溫度均達到2 000℃以上。在最高溫度的位置，出現小范圍的溫度波動，是焊接仿真過程中模擬CO2焊接熔池沿著板寬方向上的擺動；3#焊縫熔池溫度最高，在短時間內，冷卻速度最快，2#次之，在焊接過程中，已焊區的熔池冷卻降溫，而正在焊接的熔池溫度升高，在熱傳遞的作用下高溫區熔池熱量流向低溫區熔池。當焊接熱輸入量一致，3#的焊接熱功率大，焊接速度快，加熱時間短，高溫區的熔池熱量沒有充分的時間流向低溫區的熔池，焊接就已經結束，此時不再有熱量輸入，焊縫溫度逐漸降低。而1#焊縫熱功率較低，焊接速度慢，加熱時間長，正在進行焊接的熔池有較高的溫度，熱量流向已焊區，降低了已焊區焊縫的散熱速度。

圖7 焊縫中心溫度場特性曲線Fig.7 Characteristic curve of temperature field in weld center

2.2 焊接殘余應力結果分析

對接試板打底層焊接時，應力方面對打底焊縫影響最大的是橫向殘余應力，因此有限元模擬只針對橫向殘余應力進行分析。

1#、2#、3#最大橫向殘余拉應力為467.5 MPa、453.2 MPa、444.3 MPa，最大橫向壓應力分別為407.5 MPa、404.4 MPa、403.4 MPa。橫向應力隨著焊接熱功率的增加，而逐漸減小，但相互之間的最大應力相差較小，因此焊縫熔池從液態冷卻到固態過程中產生的應力變化最大值不隨焊接熱功率的大小而發生較大的變化。三種方案試板橫向殘余應力均集中在焊縫中心、背面焊縫熱影響區，均受到拉應力，最大拉應力集中區位于焊縫與卡碼垂直的位置；背面焊縫余高處受到壓應力，最大壓應力位于焊縫與卡碼垂直位置以外的余高區。試驗選用AH36高強鋼，屈服強度為355 MPa，抗拉強度為490～630 MPa，三種方案的橫向殘余應力在焊縫與卡碼的垂直位置超過AH36鋼的屈服強度，但在最大拉應力以下，焊縫均會發生不可逆的焊接形變，并有產生打底裂紋的不確定性，如圖8所示。

圖8 焊縫橫向殘余應力分布云圖Fig.8 Distribution nephogram of transverse residual stress of weld

焊縫截面橫向殘余應力分布云圖如圖9所示，其中左圖為卡碼處焊縫應力分布，右圖為沿著試板長度方向的非卡碼處焊縫應力分布，三種方案的選擇位置相同。可以看出，1#、2#、3#的焊縫截面橫向殘余應力分布在卡碼處的應力集中區比非卡碼處大，卡碼的裝配對焊接橫向殘余應力分布的影響較大。三種方案在相同位置，以卡碼處為例，3#焊縫截面應力集中區最大，2#次之，1#最小。由此可知，當焊接熱輸入量一致時，采用較小的焊接熱功率，可以有效減小焊縫的應力集中區。

圖9 焊縫截面橫向殘余應力分布云圖Fig.9 Distribution nephogram of transverse residual stress in weld section

通過圖8、圖9橫向應力分布云圖，并結合溫度場分析結果可知：鋼材的溫度越高，塑性越大。焊縫熱影響區的溫度較低，比焊縫熔池塑性小，焊縫金屬凝固收縮，產生焊接殘余應力。焊縫正面的熔融金屬散熱速度快，先凝固；焊縫背面的熔融金屬在陶瓷襯墊的保溫作用下散熱速度慢，后凝固。焊縫的正面受到熔池下面的金屬后凝固而產生的殘余應力。3#試板焊接熱功率大且速度快，熔池金屬溫度較高，焊后冷卻速度快，焊縫應力集中區大。在卡碼的固定作用下應力集中區增大，產生的殘余應力數值在AH36鋼屈服強度和抗拉強度之間，發生不可逆焊接形變，極易產生打底焊縫裂紋，因此3#焊接試板產生打底裂紋的可能性最大，2#次之。

焊接路徑選擇如圖10所示，其中路徑1為沿著試板正面長度方向上的焊縫中心的路徑；路徑2與路徑3同處于試板長度方向的中間位置，路徑2為試板背面沿著板寬方向上的垂直于焊縫的路徑，路徑3處于試板的正面。

圖10 焊接路徑選擇Fig.10 Welding path selection

焊縫橫向應力變化特性曲線如圖11所示，三種方案沿著三條路徑所繪制的橫向應力特性曲線基本重合，將左圖中紅框區域放大，如右圖所示。

由路徑1繪制的橫向殘余應力變化特性曲線可知：1#、2#、3#焊縫中心的應力均比較高，且表現為拉應力，應力最高處位于焊縫與卡碼垂直的位置，約420 MPa，在遠離卡碼的位置處的應力逐漸降低，最低點約為413 MPa，兩者相差較小。當焊接熱輸入量一致，焊縫中心橫向殘余應力最大值不隨熱功率的大小而產生較大的變化。

圖11 橫向殘余應力變化特性曲線Fig.11 Variation characteristic curve of transverse residual stress

由路徑2繪制的橫向殘余應力變化特性曲線可知：三種方案的應力變化均表現為從試板邊緣到焊縫熱影響區位置應力逐漸增大，且均表現為拉應力，最大拉應力約為280 MPa；從焊縫余高邊緣到余高最高點的位置焊接應力急速變化，從拉應力轉變為壓應力，在余高最高處的位置出現最大壓應力，約為320 MPa。

按照路徑3繪制的橫向殘余應力變化特性曲線可知：在焊縫及熱影響區以外的區域表現為較小的壓應力，最小壓應力約40 MPa，從熱影響區至焊縫中心殘余應力急速變化，從壓應力表現為拉應力，最大拉應力約420 MPa。

2.3 焊接變形結果分析

在CO2半自動打底焊接過程中，焊接試板的變形主要是厚度方向變形及橫向收縮變形，因此本次有限元模擬主要針對試板厚度方向變形及橫向收縮變進行分析。

1#、2#、3#在板厚方向上的最大變形分別約1.71 mm、1.84 mm、2.15 mm，三種方案變形量相差較小，因此在焊接過程中焊接熱輸入量一致，熱功率對打底層焊縫在厚度方向上的焊接變形影響較小，但三種方案的變形主要位于兩個卡碼之間的區域，如圖12所示。

圖12 厚度方向變形分布云圖（10×）Fig.12 Cloud diagram of deformation distribution in thickness direction

厚度方向變形分布云圖的正視圖如圖13所示。三種方案的變形方向是沿著坡口的相反方向。在常識性理解中，焊縫試板變形是沿著坡口正方向，從焊縫區至試板邊緣逐漸增加。根據焊后焊縫截面分布圖將打底層焊縫沿著試板底部分為兩層焊縫，坡口內側的金屬凝固收縮引起焊縫及其周圍區域形成局部較小的變形，變形方向與焊接坡口方向相同，坡口外側焊縫余高處的焊縫金屬冷卻收縮對焊接試板的變形影響較大，變形方向與焊接坡口方向相反。因此在CO2陶瓷襯墊打底焊接過程中，焊接試板變形方向均與坡口方向相反。

圖13 厚度方向變形分布云圖（正視圖10×）Fig.13 Cloud diagram of deformation distribution in thickness direction（Front view 10×）

按照路徑2繪制的焊縫背面變形特性曲線如圖14所示，三種方案在焊縫背面的焊接變形均表現為以卡碼為中心，向試板的邊緣和焊縫熱影響區變形量逐漸增加，且變形方向相反，如圖14a所示，將圖中紅框區域放大，可分辨出三種方案的變形量，如圖14b所示。

圖14 焊縫背面變形特性曲線Fig.14 Deformation characteristic curve of weld back

焊接試板背面橫向收縮變形分布云圖如圖15所示。1#、2#、3#焊縫兩側試板收縮方向相反，最大橫向收縮變形分別為0.835 mm、0.865 mm、0.885 mm，三種方案變形量相差較小。在焊接過程中，焊接熱輸入量一致，熱功率對打底層焊縫橫向收縮焊接變形影響較小，三種方案的變形區域同樣位于兩個卡碼之間。

圖15 焊縫橫向收縮變形分布云圖Fig.15 Distribution nephogram of transverse shrinkage deformation of weld

結合圖12～圖15分析可知，焊接試板的厚度方向變形和橫向收縮變形在熱輸入量一致的條件下，變形量不隨熱功率的大小而發生較大的變化。但三種方案的焊接變形區均在焊接卡碼之間，并結合焊接殘余應力結果分析，卡碼限制了焊縫的冷卻收縮變形，在焊縫與卡碼垂直位置的焊縫變形量小，而焊接應力集中區大。

3 結論

本文開展了10 mm厚高強鋼AH36平對接焊縫在熱輸入量15.4 kJ/cm一致，熱功率為3.312 kJ/s、5.376 kJ/s、7.680 kJ/s條件下的CO2焊匹配陶瓷襯墊打底層焊接有限元分析試驗，研究焊接過程中的溫度場、殘余應力、焊接變形的變化情況，分析打底裂紋產生的原因，得出結論：

（1）焊接熱輸入量一致，熱功率越大，熔池溫度越高，熱影響區的試板不能得到充分的加熱，焊后熔池冷卻速度快。

（2）焊接卡碼對打底層焊縫的收縮變形影響較大，焊縫在靠近卡碼的位置焊接變形量小，反之則不同。

（3）打底層焊接時，熔池金屬冷卻收縮，產生的殘余應力在板材的屈服強度和抗拉強度之間，發生板材不可逆的焊接變形，并有打底裂紋產生的不確定性。

（4）焊接熱功率對焊縫的應力集中區影響大，熱功率越大，應集中區越大；焊接卡碼的裝配限制了焊縫區的變形量，導致焊縫與卡碼垂直的位置應力集中區增大，打底層焊縫極易產生熱裂紋。