平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)接接頭焊接變形預(yù)測(cè)及控制方法的研究

楊心怡，沙赪珺，張海燕

（1.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院 江蘇 張家港 215600；2.招商局金陵（南京）股份有限公司 江蘇 南京 210000）

隨著當(dāng)今技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代平臺(tái)趨于超大型和多功能，在平臺(tái)的建造中，焊接工藝的使用至關(guān)重要[1]。半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)特殊、復(fù)雜，平臺(tái)內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)大多由高強(qiáng)度厚板組成，主要通過(guò)焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)之間的連接。焊接作為一種可靠、高效的連接工藝，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的施工過(guò)程中。與其他加工工藝相比，焊接技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)條件好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

但在焊接過(guò)程中和焊接后，焊接變形和應(yīng)力作為基本的力學(xué)響應(yīng)不可避免地會(huì)發(fā)生。焊接變形會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的制造精度、強(qiáng)度性能和其他方面產(chǎn)生許多負(fù)面影響。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，通常運(yùn)用焊后矯正來(lái)減少焊接變形。然而，這種方法不僅影響施工周期，耗費(fèi)大量人力和財(cái)力，還可能對(duì)焊接部件造成損壞。因此，預(yù)測(cè)和控制平臺(tái)內(nèi)典型對(duì)接接頭的焊接變形，將對(duì)平臺(tái)上特殊結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及進(jìn)度和精度控制產(chǎn)生巨大影響。

預(yù)測(cè)焊接變形的方法主要有實(shí)驗(yàn)方法、分析方法和數(shù)值模擬方法。對(duì)接接頭是船體結(jié)構(gòu)中一種典型的接頭形式。本文利用有限元軟件對(duì)對(duì)接接頭開V 形坡口時(shí)的焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，為平臺(tái)上特殊結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)和控制提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 大變形理論

對(duì)于焊接失穩(wěn)變形的行為，是一種力學(xué)的非線性響應(yīng)，必須要用到位移和應(yīng)變關(guān)系的方程式來(lái)描述其變形的幾何特征。如果變形是很小的時(shí)候，則應(yīng)變作為位移的線性方程給出，即小變形理論，如公式（1）前面的一階項(xiàng)；當(dāng)變形較大的時(shí)候，應(yīng)變必須作為位移的非線性方程給出，即格林-拉格朗日（Green-Lagrange）應(yīng)變方程，如公式（1）所示。從應(yīng)變公式可以看出，前面的一階項(xiàng)表示的是線性響應(yīng)，二階項(xiàng)則表示的是高階響應(yīng)，非線性項(xiàng)對(duì)于大變形理論是必不可少的[3]。

式（1）中，εx、εy、εZ是X、Y、Z 方向的格林—拉格朗日正應(yīng)變；γxy、γyz、γyz是x-y、y-z 和z-x 平面的剪應(yīng)變；u、v、w 分別是x、y、z 方向的位移。

1.2 熱彈塑性有限元方法

本文采用熱彈塑性有限元方法對(duì)平臺(tái)中的典型對(duì)接接頭進(jìn)行了分析。

焊接接頭的熱彈塑性有限元分析（TEP）主要考慮熱傳導(dǎo)和彈塑性力學(xué)。其中，熱過(guò)程在之后的受力過(guò)程中起著決定性的作用。因此，使用非耦合公式來(lái)分析焊接過(guò)程中的熱力學(xué)行為，然后考慮材料傳熱形成的溫度場(chǎng)和其他物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)力和變形的影響。

熱彈性有限元法的分析過(guò)程主要分為兩個(gè)步驟：（1）利用熱傳遞理論對(duì)整個(gè)瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算；（2）將計(jì)算得出的瞬態(tài)溫度分布作為熱載荷應(yīng)用于隨后的應(yīng)力分析，并計(jì)算焊接殘余應(yīng)力、塑性應(yīng)變和位移[4]。如圖1 所示，是整個(gè)熱彈性有限元方法（TEP）的分析流程圖。

圖1 熱彈塑性（TEP）分析流程圖

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

本文中以20mm 厚的EH36 高強(qiáng)度鋼板為研究對(duì)象，該材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能參數(shù)如表1 和表2 所示。圖2 是EH36 材料熱物理性能參數(shù)。

表1 EH36 鋼板化學(xué)成分

表2 EH36 鋼板力學(xué)性能

圖2 EH36 材料熱物理性能參數(shù)

2.2 有限元建模

本文主要以EH36 船用高強(qiáng)鋼 (200 mm×300 mm×20 mm）制作的平板對(duì)接焊為研究對(duì)象。為保證全焊透，開40°V 型坡口，焊接過(guò)程分5 層填充坡口，焊道布置如圖3 中（a）所示。根據(jù)焊件尺寸、坡口形式和焊縫布置，在Patran 中建立了焊件的幾何模型。考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率，為了保證整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的合理性，采用了非均勻有限元網(wǎng)格劃分。焊縫和焊縫附近區(qū)域的網(wǎng)格相對(duì)密集，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算的影響較小。因此網(wǎng)格劃分比較粗糙，如圖3 中（b）所示。

圖3 有限元模型

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)船廠的實(shí)際焊接參數(shù)，對(duì)厚板進(jìn)行對(duì)接焊，焊接具體參數(shù)如表3 所示。

表3 焊接參數(shù)

為了研究厚板對(duì)接焊的焊接接頭焊接后的面外變形情況，主要考慮沿焊縫方向和垂直于焊縫方向上的面外變形情況，繪制焊接后的變形曲線圖，如圖4 所示。其中，（a）為沿焊縫方向鋼板的面外變形曲線，（b）為垂直于焊縫方向的鋼板的面外變形曲線。

圖4 變形曲線

觀察圖4 中的（a）曲線圖和（b）曲線圖可知，鋼板沿焊縫方向的焊接變形為兩邊向下，中間部分凸起，垂直于焊縫方向的焊接變形為中間部分凹陷。可知，焊接變形的最小值都處于鋼板的邊緣部分，最大值都處于鋼板的中間部分，符合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的變形趨勢(shì)。

4 控制焊接變形的方法

焊接變形會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的制造精度、強(qiáng)度性能和其他方面產(chǎn)生許多負(fù)面影響。有必要采取一定的措施來(lái)控制焊接變形，提高焊接質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，焊接變形可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制[5]。

（1）良好的設(shè)計(jì)方案

良好的設(shè)計(jì)方案是控制焊接變形和確保構(gòu)件截面盡可能對(duì)稱的先決條件。一般來(lái)說(shuō)，合理安排焊縫位置、減少焊縫數(shù)量、減少焊縫橫截面積、選擇合理的坡口形式等方法可以有效地減少焊接變形。

（2）合理的焊接工藝

在焊接過(guò)程中，線性能量的選擇是非常重要的。輸入線能量越大，所帶來(lái)的焊接變形就越大。一般情況下，選擇低電流多道焊來(lái)代替單程焊方法。將容易變形的連續(xù)焊接改為退焊、交錯(cuò)焊、分中對(duì)稱焊等，可以有效減少焊接變形。選擇合理的焊接工藝可以有效地控制焊接變形。這種方法在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也很常見(jiàn)。

（3）反變形方法

在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常采用反向變形的方法來(lái)控制焊接變形，達(dá)到減少焊接變形的目的。反向變形法是指現(xiàn)場(chǎng)工人在焊接前根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行變形的過(guò)程。施加的變形方向應(yīng)與焊接結(jié)構(gòu)部件中發(fā)生的變形方向相反，從而抵消焊接變形的一部分。

5 結(jié)論

半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)特殊復(fù)雜，主要采用焊接技術(shù)完成各部件之間的連接。因此，研究對(duì)接焊在其中的應(yīng)用對(duì)施工的質(zhì)量、安全和施工周期具有極其重要的意義。本文以平臺(tái)特殊結(jié)構(gòu)中廣泛使用的20mm EH36 高強(qiáng)鋼板為研究對(duì)象。選擇其對(duì)接焊接接頭，預(yù)測(cè)其焊接變形，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中焊接變形的預(yù)測(cè)和控制提供理論指導(dǎo)；選擇合適的控制變形方法，確保平臺(tái)的焊接質(zhì)量和安全性能。