船舶對(duì)接接頭焊接變形及焊接工藝優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on WeldingDeformation and Process Optimization for Ship Butt Joints

HE Jinwei’，MO Zhonghua2，WANG Yuhua3，LINXiang3，LIU Hui3 （1.NantogCOKSeringCO..，Nnto6，Chia；alanCOKSpeingCO..，D6 China;3.SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineering，DalianUniversityofTechnologyDalianl16024，China）

Abstract： Based on ANSYS Workbench，this study conducts finite element analysis of the welding process for ship butt joints to investigate residual stress distributionand globaldeformation.Combined with simulation results， directions for welding process optimization are proposed.The welding process for ultra-thick high-strength crackarresting steel is explored，including weldability evaluation tests on the target material.The groove design，deposition sequence， and process parameters of the KX method welding process for thick plates are introduced.

Key words： butt joint; welding deformation; welding process; high-strength crack-arresting steel

1 引言

隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大型、重載化發(fā)展，對(duì)鋼材的強(qiáng)度和厚度等性能提出了更高要求。極厚高強(qiáng)度止裂鋼不僅能夠保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可以有效防止低溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境下裂紋的生長(zhǎng)與擴(kuò)展，有效減少鋼材的使用量，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

焊接過程是一個(gè)局部加熱和冷卻的過程，在對(duì)極厚鋼板進(jìn)行焊接時(shí)，由于焊縫金屬的填充量巨大，板材厚度越大，這種不均勻的熱循環(huán)越會(huì)在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力。若與工作應(yīng)力疊加，會(huì)大大增加接頭開裂的風(fēng)險(xiǎn)。為解決厚板焊接中的熱輸入控制、殘余應(yīng)力水平降低等難題，降低焊接缺陷發(fā)生率，進(jìn)而顯著提高生產(chǎn)效率，有效削減生產(chǎn)成本，拓展極厚高強(qiáng)度止裂鋼在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，研究厚板高效焊接技術(shù)十分必要。

近年來，數(shù)值模擬已成為預(yù)測(cè)和分析焊接變形的主導(dǎo)手段，目前有眾多學(xué)者對(duì)船舶對(duì)接接頭的應(yīng)力變形及其影響因素開展了廣泛研究。張仁軍等基于雙橢球熱源模型對(duì)接焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了坡口形式對(duì)焊接應(yīng)力分布的梯度影響機(jī)制。湯小紅等基于ANSYS軟件建立雙橢球熱源模型，針對(duì)Q345鋼平板對(duì)接焊開展仿真，提出了電流對(duì)焊接熱力耦合效應(yīng)的非線性影響規(guī)律。Ko等通過實(shí)驗(yàn)與熱-彈塑性有限元法，研究了船體分段對(duì)接焊中板狀?yuàn)A具布置對(duì)焊接變形的約束效應(yīng)。谷曉梅等采用數(shù)值模擬與盲孔法試驗(yàn)，研究了焊接電流與焊接速度對(duì)船用高強(qiáng)度鋼對(duì)接焊平板殘余應(yīng)力的影響。李祖臣等基于ANSYS軟件對(duì)Q345R鋼板U型與X型坡口對(duì)接焊進(jìn)行了數(shù)值模擬。崔虎威等[基于熱－彈塑性有限元法，采用高斯移動(dòng)熱源模型研究了焊接參數(shù)對(duì)Q235鋼板對(duì)接焊的影響，建立了焊接參數(shù)與熱力響應(yīng)的定量映射關(guān)系。薄純?nèi)鸬炔捎脽?彈塑性法對(duì)比了材料硬化模型對(duì)于對(duì)接焊殘余應(yīng)力的影響。

本文聚焦于船舶對(duì)接接頭的焊接過程，采用ANSYSWorkbench進(jìn)行建模操作，并實(shí)施熱-彈塑性有限元計(jì)算，剖析其焊接過程中的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布特征。同時(shí)對(duì)超高強(qiáng)度極厚鋼板焊接工藝進(jìn)行研究，確定了合適的焊接坡口型式及焊接工藝參數(shù)，確保焊接性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 船舶對(duì)接接頭焊接變形數(shù)值模擬研究

使用ANSYSWorkbench對(duì)平板對(duì)接焊接過程開展仿真，對(duì)接接頭模型由2塊 1 2 0 m m× 1 0 0 m m× 6 m m 平板沿短邊拼合而成，接頭尺寸見圖1。

選取接頭材料為低碳鋼，材料性能參數(shù)見圖2、圖3。

對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單元類型選取為高階六面體單元solid90和solid186，以在合理計(jì)算資源消耗下獲取較高計(jì)算精度，為后續(xù)提供可靠基礎(chǔ)。單元形狀見圖4。

solid90單元適用于在熱分析中進(jìn)行曲線邊界模擬。在進(jìn)行焊接應(yīng)力變形分析時(shí)，其能夠轉(zhuǎn)化為等效的結(jié)構(gòu)單元solid solid186單元適用于對(duì)簡(jiǎn)單模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用這兩種單元進(jìn)行仿真，可以使模型網(wǎng)格擁有足夠的節(jié)點(diǎn)，能在有限條件下獲得更好的精度。最終劃分得到21285個(gè)單元和108456個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在仿真過程中采用具有均勻特性的高斯柱狀熱源。此熱源模型具體形態(tài)為柱狀，熱流分布特征顯著：在垂直于板材厚度的方向上，熱流呈均勻分布；而在焊接行進(jìn)的方向上，熱流則遵循高斯分布規(guī)律。具體表達(dá)式如式（1）。

式中：d為熱源作用深度； 為有效半徑；r為熱源某點(diǎn)至電弧中心距離； 為最大熱流密度； η 為熱效率；u （z）為熱源Z方向梯度，取1。

實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)平板接頭采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG焊），所用工藝參數(shù)見表1。

運(yùn)用固有變形理論計(jì)算焊接變形時(shí)，需考量縱向、橫向固有收縮和角變形，三者對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估焊接變形具有重要意義。生產(chǎn)中常利用機(jī)械加工對(duì)焊件角變形進(jìn)行消除，因此焊接變形中起主導(dǎo)作用的仍為縱向和橫向固有收縮，其表達(dá)式如式（3）、（4）。

式中： 、 分別代表縱向與橫向固有變形；

、 分別為縱向、橫向固有應(yīng)變；h為接頭厚度;

x 、y、 z 分別對(duì)應(yīng)焊接方向，橫向以及厚度向。

在碳鋼的固有應(yīng)變中，塑性應(yīng)變占主要成分。縱向、橫向固有收縮量 與 可通過對(duì)接頭橫截面上縱向、橫向塑性應(yīng)變 和 積分來獲取。鑒于薄板的縱向固有應(yīng)變?cè)诤穸确较虻姆植汲尸F(xiàn)近乎均勻一致的特性，式（3）、（4）可簡(jiǎn)化為式（5）、（6）

采用上述工藝參數(shù)與熱源模型進(jìn)行有限元仿真。在使用MAG焊進(jìn)行焊接時(shí)，焊絲以液態(tài)留存于熔池，與熔化的母材金屬融合，冷卻后共同形成焊縫金屬。因此仿真中焊縫部位溫度應(yīng)當(dāng)超過焊絲與母材的熔點(diǎn)，使仿真更為準(zhǔn)確。焊接完成后充分冷卻接頭，使焊件整體維持在環(huán)境溫度左右，冷卻完成后的焊件溫度云圖如圖5所示。

可見焊件整體溫度最高值為 ，最低值為 ，差值 ，認(rèn)為焊件已完成冷卻。

焊接時(shí)主要對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行局部加熱，使熱量集中在焊縫及熱影響區(qū)，其它區(qū)域溫度相對(duì)較低，因此不均勻的溫度分布導(dǎo)致了內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生。即使焊件進(jìn)行冷卻恢復(fù)到了室溫，熱應(yīng)力也不會(huì)完全消失。在焊接中，部分殘余應(yīng)力致使焊件發(fā)生塑性變形，另一部分留存于焊件內(nèi)。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊接變形后，不僅施工難度增大，建造精度也會(huì)降低。同時(shí)，殘留的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響，削弱其承載外部載荷的能力，進(jìn)而大幅提升疲勞失效乃至斷裂的概率。因此，針對(duì)焊接殘余應(yīng)力開展研究并實(shí)施有效的控制策略具有重要的工程意義。接頭冷卻結(jié)束后的殘余應(yīng)力與焊接變形云圖如圖6、圖7所示。

由圖6可見，平板對(duì)接接頭的殘余應(yīng)力主要集中于施加了固定約束的板材兩側(cè)寬度方向區(qū)域，且呈現(xiàn)出基本對(duì)稱的分布特征，最大值為 。分析其成因?yàn)楫?dāng)熱源在焊道上移動(dòng)時(shí)，焊件整體發(fā)生了膨脹，對(duì)兩端寬度方向的約束側(cè)造成擠壓，產(chǎn)生了應(yīng)力。

從圖7中可以看出，焊件加熱后整體膨脹，完全冷卻后仍存在有塑性變形。變形主要集中在未進(jìn)行約束的兩端，且呈現(xiàn)出對(duì)稱分布，最大變形量為 0 . 3 1 3 m m 。

焊接殘余應(yīng)力與變形對(duì)船舶的建造精度和施工難度有著重要影響[，因此對(duì)焊接工藝進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)是必要的。

3工藝參數(shù)對(duì)平板對(duì)接焊溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力的影響

結(jié)構(gòu)初始缺陷是船舶設(shè)計(jì)建造中不容忽視的關(guān)鍵考量因素。這類缺陷主要源于焊接殘余應(yīng)力及其引發(fā)的變形。二者對(duì)建造精度及整體質(zhì)量有著顯著影響，不僅關(guān)系到船舶建造階段能否達(dá)到預(yù)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，更與船舶使用中的安全性、服役壽命相關(guān)。因此選用科學(xué)的焊接工藝參數(shù)及焊接方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力和變形的有效控制十分重要。本節(jié)針對(duì)平板對(duì)接焊操作中焊接電流、焊接速度、熱源半徑以及板厚這四個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)開展工況設(shè)計(jì)工作，運(yùn)用ANSYSWorkbench進(jìn)行有限元仿真，獲取各工況下的模擬數(shù)據(jù)。各工況焊接參數(shù)見表2。

選取工況3作為仿真溫度場(chǎng)分析代表，圖8展示了工況3在12s和 8 0 0 0 s 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的焊接溫度云圖。當(dāng)熱源在焊縫上移動(dòng)加熱時(shí)，呈現(xiàn)出一定的靜態(tài)特性，即行進(jìn)過程中加熱斑點(diǎn)的形狀基本保持恒定；加熱過程中焊件最高溫度較為穩(wěn)定；移動(dòng)到板邊時(shí)，由于端部效應(yīng)影響，使得最高溫度有所上升；充分散熱后，焊件的溫度逐漸恢復(fù)到室溫，溫度分布也較為對(duì)稱。

對(duì)各工況焊件上同一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行分組繪制，得到四項(xiàng)參數(shù)變化下的溫度循環(huán)曲線對(duì)比，如圖9所示。

每張圖線分別對(duì)應(yīng)一種工藝參數(shù)變化對(duì)溫度循環(huán)曲線帶來的影響。如圖，當(dāng)僅有焊接電流升高時(shí)，焊件上會(huì)吸收更多熱量，A點(diǎn)的溫度峰值也隨之上升，但峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間幾乎不變；當(dāng)僅有焊接速度加快時(shí)，由于焊件獲得熱量的時(shí)間變短，使得A點(diǎn)溫度峰值逐漸降低，且峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間提前；當(dāng)僅有熱源半徑加大時(shí)，由于受熱面積同步增大，導(dǎo)致A點(diǎn)溫度峰值不斷降低，但峰值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間幾乎不變；當(dāng)焊件板厚變化時(shí)，由于熱源直接接觸的部分幾乎不變，導(dǎo)致A點(diǎn)溫度峰值也幾乎不變，溫度循環(huán)曲線也只有在下降段略有區(qū)別，板厚越大，溫度逸散的面積越大，溫度下降得越快。

進(jìn)一步探究極厚板焊接工藝參數(shù)優(yōu)化方向，制定工況A1-A10進(jìn)行仿真，焊接參數(shù)如表3。分組繪制各工況焊件上同一點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線，得到三項(xiàng)參數(shù)變化下的對(duì)比圖，如圖10所示。

對(duì)比1-10、A1-A10對(duì)應(yīng)工況可見，當(dāng)板厚增加到一定程度時(shí)，焊件的體積也成倍增加，導(dǎo)致吸收相同熱量上升的溫度明顯減少。因此，焊件上A點(diǎn)的溫度峰值會(huì)隨板厚大幅增加而顯著下降，并且其溫度達(dá)峰以及逸散時(shí)間也隨之產(chǎn)生一定縮短。

觀察圖10可知，參數(shù)變化帶來的影響趨勢(shì)與6 m m 板厚相同：A點(diǎn)溫度峰值隨焊接電流增大而升高，但達(dá)峰時(shí)間幾乎不變；加快焊接速度不僅使A點(diǎn)溫度達(dá)峰提前，并且會(huì)使峰值降低；熱源半徑增大使A點(diǎn)溫度峰值降低，但達(dá)峰時(shí)間幾乎不變。

結(jié)合上述圖線，可對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低焊件殘余應(yīng)力與整體變形。例如，適當(dāng)加快焊接速度，以減少焊件受熱時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)適當(dāng)加大焊接電流，以保證焊縫溫度要求。通過綜合調(diào)整，尋找更適宜的參數(shù)組合。

對(duì)比A1工況，A10工況的焊接電流提高到了155A，焊接速度上升到了 0 . 0 1 4 m / s. 。對(duì)A1和A10的殘余應(yīng)力和變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證給出的工藝參數(shù)優(yōu)化方向的正確性。兩工況下焊件完全冷卻后的殘余應(yīng)力、焊接變形云圖如圖11、12所示。

如圖，A1工況下焊件殘余應(yīng)力最大值為82.35M P a ，最大變形為 0 . 2 3 5 m m ；A10工況下焊件殘余應(yīng)力最大值為 7 1 . 2 2 M P a ，最大變形為 0 . 2 1 7 m m 。相較于A1工況，A10工況中焊件的殘余應(yīng)力與變形都有了一定程度的下降，驗(yàn)證了適當(dāng)增加焊接速度與焊接電流以減少焊件的殘余應(yīng)力與整體變形幅度的舉例正確性。

4超高強(qiáng)度極厚鋼板焊接工藝研究

焊接工藝的選擇與優(yōu)化對(duì)于確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減少焊接變形和殘余應(yīng)力至關(guān)重要。特別是在使用極厚高強(qiáng)度止裂鋼時(shí)，當(dāng)板厚達(dá)到 9 0 m m 以上，焊接工藝的復(fù)雜性顯著增加。極厚鋼板的焊接不僅要求焊縫具有足夠的力學(xué)性能，還需要減少殘余應(yīng)力和變形，同時(shí)又要保證焊接效率。

極厚鋼板焊接工藝存在多種優(yōu)化方向：1）通過優(yōu)化工藝參數(shù)，控制焊接熱輸入，減少熱影響區(qū)；2）結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)，確定最佳焊接順序以減少焊接變形；3）合理設(shè)計(jì)焊接坡口以減少焊接道數(shù)和層數(shù)；最后，可以選擇更適合極厚板材的焊接方法，例如雙電極埋弧自動(dòng)焊（KX法），來有效提高焊接效率和質(zhì)量。

對(duì)于極厚板焊接，若采用常規(guī)的 焊接坡口，由于 焊絲焊接電流上限只有 3 2 0 A ，其熔敷速度一般不超過 7 k g / h ，其焊接道數(shù)、層數(shù)將隨著板厚增加而增多，導(dǎo)致焊接時(shí)間長(zhǎng)，人力成本上升，對(duì)船舶建造周期產(chǎn)生影響。相比之下，KX法是一種適用于極厚板的高效焊接方法。通過雙電極同時(shí)焊接，能夠在無坡口、無間隙條件下實(shí)現(xiàn)單面最大 1 5 m m 熔深，顯著降低焊接工作量。

KX法有如下工藝優(yōu)點(diǎn)：1）雙電極同時(shí)焊接，成倍提高熔敷速度，顯著減少了焊縫道數(shù)和層數(shù)，縮短了作業(yè)時(shí)間；2）埋弧焊形成的焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性高，不易發(fā)生氣孔、夾渣、未熔合、焊穿等缺陷，確保了接頭的力學(xué)性能；3）該工藝入熱量較高，有效延長(zhǎng)t8/5可降低裂紋敏感性，大鈍邊坡口和高熔敷速度帶來的焊道減少，能減小多焊道循環(huán)變形疊加，有效控制焊接變形。

KX法坡口形式如圖13所示，其中板厚為70～90m m ，板間隙為 ，中間留根偏差必須為負(fù)偏差，角度偏差為正偏差。焊道順序如圖14，圖中L、T分別代表前導(dǎo)和后續(xù)電極。

該工藝選用交流焊接電源，前極選取 Φ 4 . 8 m m 焊絲，后極選取 Φ 6 . 4 m m 焊絲。當(dāng)單面焊接完成后需翻身進(jìn)行另一面的焊接，但無需碳刨處理也可實(shí)現(xiàn)完全焊透。

根據(jù) 鋼板在南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎2 4 0 0 0 T E U 集裝箱船的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)自標(biāo)母材進(jìn)行了KX法的焊接性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。焊接接頭的力學(xué)性能評(píng)價(jià)主要由船廠完成。船廠前期充分研究了所用焊接材料與工藝參數(shù)，通過試驗(yàn)，確定了合適的選擇。選取的焊接材料及工藝參數(shù)見表4。

之后對(duì)接頭取樣，進(jìn)行UT、MT、拉伸、彎曲、夏比沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)及宏觀金相試驗(yàn)，確保KX法極厚板焊接接頭的機(jī)械性能滿足船級(jí)社要求，取得了ABS船級(jí)社的焊接工藝認(rèn)可。

極厚板焊接工藝要求嚴(yán)格、注意事項(xiàng)多。為此對(duì)極厚鋼板的焊接工藝進(jìn)行研究和試驗(yàn)，最終確定了合適的焊接坡口型式及焊接工藝參數(shù)，確保焊接性能滿足設(shè)計(jì)要求，并編制了EH47極厚高強(qiáng)度鋼板雙絲自動(dòng)化焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)坡口型式、工藝參數(shù)、預(yù)熱及層間溫度管理、焊材等都進(jìn)行了具體規(guī)定。

5 結(jié)語

1）對(duì)平板對(duì)接接頭焊接進(jìn)行仿真，得到焊件的殘余應(yīng)力與變形分布。接頭的殘余應(yīng)力主要集中于寬度方向約束區(qū)，且呈現(xiàn)出對(duì)稱分布特征，最大值為36.7 ；焊接變形主要對(duì)稱分布于未進(jìn)行約束的兩端，最大變形量為 0 . 3 1 3 m m 。

2）基于焊接電流、焊接速度、電弧半徑及板厚開展工況設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真，得到各工況下焊件上某點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線，針對(duì)參數(shù)變化對(duì)曲線造成的影響進(jìn)行對(duì)比分析，為工藝參數(shù)組合優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3）對(duì)超高強(qiáng)度極厚止裂鋼焊接工藝開展研究，對(duì)KX焊接法的特點(diǎn)進(jìn)行分析，經(jīng)試驗(yàn)最終確定合適的坡口形式及工藝參數(shù)，對(duì)接頭進(jìn)行焊接評(píng)定試驗(yàn)，獲得了船級(jí)社的認(rèn)可，在確保焊接性能滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)提升了極厚板焊接效率。

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