超大型集裝箱船用超高強度鋼EH47焊接殘余應(yīng)力模擬與實驗研究

周宏，蔣志勇，劉建峰，鄭昕，胡小才，朱玉龍

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超大型集裝箱船用超高強度鋼EH47焊接殘余應(yīng)力模擬與實驗研究

周宏1，蔣志勇1，劉建峰2，鄭昕2，胡小才2，朱玉龍2

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超高強度鋼EH47廣泛應(yīng)用于超大型集裝箱船艙口圍板等區(qū)域結(jié)構(gòu)中，建造過程中常常伴隨著較大的焊接殘余應(yīng)力，直接影響到船體結(jié)構(gòu)的安全及使用壽命。論文基于有限元分析軟件ANSYS，對平板對接焊進行模擬，得到焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，并采用盲孔法對焊縫區(qū)域進行殘余應(yīng)力測量。結(jié)果表明:殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達到焊縫中心附近時拉應(yīng)力達到最大值。隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫中心，拉應(yīng)力迅速減小，達到一定距離時轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應(yīng)力最大值，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗測量值基本吻合，同時焊后熱處理能有效降低有損結(jié)構(gòu)強度的焊接殘余應(yīng)力。

集裝箱船；EH47鋼；焊接；殘余應(yīng)力

0 引言

近年來，隨著集裝箱船建造的規(guī)模越來越大，為得到足夠的船體縱向強度，越來越厚的高強度鋼板在大型集裝箱船的上甲板區(qū)域進行應(yīng)用。作為工業(yè)革新的最新成果，屈服強度達到460 MPa的EH47級超高強度鋼被引入使用在集裝箱船的上甲板區(qū)域結(jié)構(gòu)，特別是艙口圍板結(jié)構(gòu)，以達到降低使用鋼板厚度，減輕船舶的空船重量，提高航運經(jīng)濟性的目的。探明超高強度鋼EH47的焊接殘余應(yīng)力規(guī)律，對于評定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定出合理的焊接工藝提供可靠的理論依據(jù)。

1 平板對接焊實驗

1.1 EH47鋼可焊性分析

碳含量是影響低合金鋼裂紋敏感性的最重要因素。按照國際焊接學(xué)會（IIW）提出的Ceq計算公式[1]及日本ITO提出的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm公式[2]，根據(jù)70 mm厚的EH47化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，得Ceq= 0.43%和Pcm=0.18%。

日本焊接協(xié)會規(guī)定Pcm≤0.20%作為評定高強鋼焊接冷裂紋敏感性可焊接性的指標(biāo)之一，而EH47鋼的Pcm為0.18%，冷裂紋敏感性比較低不易產(chǎn)生裂紋。從格瑞維勒Graville焊接性評價圖[3]可見C含量0.06%，Ceq為0.43%處于區(qū)域I易焊接區(qū)，表明EH47鋼的可焊接性比較好。

焊接冷裂紋敏感性跟拘束度和擴散氫含量也有密切關(guān)系[4]。不同厚度的板，其拘束度也不同。隨著板厚度的增加，拘束度會有所增加，焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性也隨之增加，即產(chǎn)生冷裂紋敏感性增加。當(dāng)熱輸入過高時，熱影響區(qū)的晶粒粗化，塑性降低從而增加裂紋產(chǎn)生的可能性；當(dāng)熱輸入過小時，焊縫區(qū)除了會出現(xiàn)未融合等缺陷外還容易出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，這也會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

為了防止EH47焊后冷裂紋的出現(xiàn)，可通過預(yù)熱來提高鋼板的可焊接性。根據(jù)預(yù)熱溫度T0/℃的經(jīng)驗公式[5]，結(jié)合實際生產(chǎn)實際，EH47鋼焊前預(yù)熱溫度確定為80℃。

1.2 焊接實驗方案

本研究選用400 mm*200 mm*70 mm規(guī)格的EH47厚板，拼成兩幅試板，如圖1所示。焊前預(yù)熱80℃，無焊后熱處理的試板標(biāo)記為1號板；焊前預(yù)熱80℃，焊后熱處理500℃三小時的試板標(biāo)記為2號板，采用埋弧自動焊焊（SAW），焊接工藝參數(shù)見表1所示。焊接坡口均采用X型，坡口角度為42°，焊道布置為共28道，16層，如圖2所示。焊絲型號為Y-CMS（Φ4.8 mm），藥劑型號為NB-55。焊接順序為從編號1到28道焊縫依次燒焊。

焊前采用加熱板預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80℃，如圖3所示。2號試板焊接完成后，將加熱板連同保溫棉一起覆蓋在試板上，調(diào)溫至500℃持續(xù)三小時，如圖4所示。

圖1 實驗板材Fig.1 The experimental plate

圖2 焊道布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding Parameter of steel EH47

圖3 焊前預(yù)熱處理Fig.3 Preheat before welding

圖4 2號試件焊后熱處理Fig.4 Heat treatment after welding of No.2 plate

1.3 試驗結(jié)果分析與討論

1.3.1 試驗結(jié)果與討論

應(yīng)力檢測點位置如圖5所示，1號試板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。

從圖6（a）可見，1號試板沿焊縫橫向方向的縱向殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近為正值表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達到焊縫中心點時拉應(yīng)力達到最大值214MPa。縱向應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)為負(fù)值表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在遠(yuǎn)離焊縫時拉應(yīng)力迅速減小，當(dāng)達到一定距離時轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應(yīng)力最大值，然后隨著繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫，壓應(yīng)力逐漸減小。

圖5 應(yīng)力測試點位置Fig.5 The position stress test

圖6 1號試板焊接應(yīng)力分布Fig.6 The welding stress distribution of No.1 plate

原因在于焊縫在填充過程中，焊縫中心處于熔池中心位置，熱輸入過于集中，溫度最高，使得焊縫中心材料發(fā)生最大限度的膨脹，但在冷卻過程中收縮又受到限制，所以使得發(fā)生最大膨脹的中心位置出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力。由于溫度過高，使得靠近焊縫區(qū)的母材屈服極限下降，熱應(yīng)力超出母材屈服極限，使得母材局部發(fā)生壓縮變形，結(jié)果導(dǎo)致在遠(yuǎn)離焊縫中心大約4 cm處的母材產(chǎn)生了最大壓應(yīng)力。所以才會出現(xiàn)在焊縫中心處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊趾2.5 cm處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力的現(xiàn)象。

1號試板沿焊縫橫向方向的橫向殘余應(yīng)力σx的分布趨勢和σz相似，但在焊縫區(qū)的數(shù)值明顯小于σz的值。由于熱源的縱向移動和坡口相對于狹窄，使得填充的焊材更傾向于沿焊縫縱向發(fā)生膨脹變形，冷卻收縮受阻的時候縱向拉應(yīng)力肯定更大。

從圖6（b）可見，1號試板沿焊縫縱向方向的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力均處于平穩(wěn)狀態(tài)，縱向應(yīng)力大約60 MPa，橫向應(yīng)力大約28 MPa。原因在于所測點距離起弧和熄弧位置相對較遠(yuǎn)，電流和電壓比較穩(wěn)定，熱輸入及焊接速度穩(wěn)定，故應(yīng)力場分布也較穩(wěn)定。

2號試板與1號試板的焊接殘余應(yīng)力分布比較如圖7所示。

從圖7可見，2號試板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律與1號試板基本一致，但應(yīng)力數(shù)值總體有所下降。原因在于焊后熱處理階段，試板溫度不斷升高，材料屈服極限隨著溫度的升高而降低，同時焊接殘余應(yīng)力會隨著材料屈服極限的降低而降低，且伴隨著蠕變現(xiàn)象（高溫松弛）殘余應(yīng)力降低。

圖7 2號試板與1號試板焊接殘余應(yīng)力分布對比圖Fig.7 The comparison chart of the welding residual stress distribution of two plates

2 焊接數(shù)值模擬

2.1 計算幾何模型

模型仍采用400 mm×400 mm×70 m的鋼板焊接而成，坡口角度為42°。有限元模型單元數(shù)62 482個，節(jié)點數(shù)24 960個，有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

2.2 材料高溫物理性能參數(shù)

數(shù)值模擬計算過程中所需要的材料物理性能隨溫度變化而變化，如表2所示。

表2 EH47鋼的熱物理性能參數(shù)Tab.2 Thermal physical properties of EH47 steel

2.3 模擬與試驗結(jié)果的比較

根據(jù)實驗的檢測點分布，按圖9所示路徑進行殘余應(yīng)力檢測，A-A路徑是垂直平分焊縫的檢測線，B-B路徑為焊縫下5 mm處平行焊縫的檢測線。

圖10為1號板材焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬值與試驗結(jié)果的對比。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

圖9 應(yīng)力取點位置圖Fig.9 The diagram of stress point position

圖10 1號板材試驗結(jié)果與模擬數(shù)值比較Fig.10 The comparison of test results and numerical of No.1 plate

從圖10（a）可見，實驗數(shù)值σx曲線上所測的9個點，從左到右分別對應(yīng)的是1-9號應(yīng)變片所測的數(shù)值，處在焊縫中心的5號點正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區(qū)域的σx數(shù)值，模擬數(shù)值和實驗數(shù)值基本吻合。

遠(yuǎn)離焊縫區(qū)1-3號點和7-9號點的實驗數(shù)值和模擬數(shù)值差別較大，實驗數(shù)值為負(fù)值，模擬數(shù)值除7號點外均為正值。原因在于鋼板材質(zhì)的不均勻性，使得局部壓應(yīng)力比較大，然后隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，壓應(yīng)力越來越小，且數(shù)值模型中焊道和坡口簡化，網(wǎng)格劃分不夠精密。

從圖10（b）可見，實驗數(shù)值σz曲線上所測的9個點，從左到右分別對應(yīng)的是1-9號應(yīng)變片所測的數(shù)值，處在焊縫中心的5號點正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)基本上是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區(qū)域的σz數(shù)值，模擬數(shù)值和實驗數(shù)值基本吻合。其它6個點位置的應(yīng)力數(shù)值雖然相差一點但趨勢基本相同。

從圖10（c）可見，沿焊縫中間30 cm區(qū)域內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力σz處于穩(wěn)定狀態(tài)，實際所測數(shù)值和模型的趨勢比較相符，數(shù)值大小上有所差異。實際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測點比較遠(yuǎn)，故實驗所測點的應(yīng)力數(shù)值曲線兩端沒有下降的趨勢。

圖11為2號板材焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬值與試驗結(jié)果的對比。

從圖11（a）可見，在靠近焊縫區(qū)域附近即4-6號應(yīng)力點為正值拉應(yīng)力，實驗所測點和模型數(shù)據(jù)曲線相靠近。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的點為負(fù)值壓應(yīng)力，和模型數(shù)據(jù)曲線趨勢相符合。模型數(shù)據(jù)曲線在最高點處有兩個峰值，原因在于焊縫在蓋面處是分兩道蓋的，熱源中心位置有兩個，在兩個熱源相互作用情況下出現(xiàn)了兩個峰值的現(xiàn)象。模型曲線應(yīng)力存在一個最低點，大約在-38 MPa，為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力對構(gòu)件來說是好的，能增強局部的拉伸極限強度。

從圖11（b）可見，實驗數(shù)值σz曲線上所測的9個點，從左到右分別對應(yīng)的是1-9號應(yīng)變片所測的數(shù)值，處在焊縫中心的5號點正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個位置模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)是完全吻合的，4號點和6號點也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號點三者組成的焊縫區(qū)域的σx數(shù)值，模擬數(shù)值和實驗數(shù)值基本吻合。其它6個點位置的應(yīng)力數(shù)值雖然相差一點，但趨勢也基本一樣。

從圖11（c）可見，沿焊縫中間30 cm區(qū)域內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力σz的數(shù)值處于穩(wěn)定狀態(tài)，實際所測數(shù)值和模型的趨勢比較相符，數(shù)值大小上有所差異。實際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測點比較遠(yuǎn)，故實驗所測應(yīng)力值曲線兩端沒有下降的趨勢。

3 結(jié)論

（1）垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達到焊縫中心附近時拉應(yīng)力達到最大值。隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫中心，拉應(yīng)力迅速減小，達到一定距離時轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力（負(fù)值），并在距離焊趾2.5 cm處達到壓應(yīng)力最大值，然后隨著繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，壓應(yīng)力越來越小。整個焊接殘余應(yīng)力關(guān)于焊縫中心線大致呈對稱分布。

（2）從平行焊縫方向的焊縫殘余應(yīng)力在起弧和熄弧位置處數(shù)值很低，隨著遠(yuǎn)離初始位置，殘余應(yīng)力數(shù)值迅速達到最大值，并維持很長一段距離的平穩(wěn)性，數(shù)值基本保持不變。但當(dāng)接近熄弧位置處殘余應(yīng)力迅速減小到最小值，整個應(yīng)力分布關(guān)于焊縫中心大致呈對稱分布。

（3）焊后熱處理對焊接殘余應(yīng)力有比較好的緩解作用，能降低有損結(jié)構(gòu)強度的最大焊接拉應(yīng)力的數(shù)值，多層多道焊的最終蓋面層的分道形式，對焊縫處殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有一定的影響。

[1]丁彥闖,兆文忠.提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的剛度協(xié)調(diào)策略與應(yīng)用[J].焊接學(xué)報,2007,28(12):31-34. Ding Yanchuang,Zhao Wenzhong.Stiffness coordination strategy for increasing fatigue life and its application in welded structure[J].Transactions of the China Welding Institution,2007,28(12):31-34.

[2]嚴(yán)鏗,聶潔,于懷東,徐律.超聲沖擊處理對灰鑄鐵焊接冷裂紋影響[J].焊接學(xué)報,2007,28(11):78-84. Yan keng,Nie jie,Yü huaidong,Xü lü.Influence of ultrasonic peening treatment to gray cast iron welding cold crack[J]. Transactions of the China Welding Institution,2007,28(11):78-84.

[3]Graville B A.Cold cracking in welds in HSLA steels[C].Welding of HSLA(Microalloyed)Structural Steels.Proceedings of an International Conference,(Rome),ASM,Metal Park,OH,1978:85-101.

[4]Chen Guoqing,Zhang Binggang,Lü Tianmin,Feng Jicai.Causes and control of welding cracks in electron-beam-welded superalloy GH4169 joints[J].Nonferrous Met.Soc.China,2013(23):1971-1976.

[5]張元杰,彭云,馬成勇,彭杏娜,田志凌.Q890高強鋼焊接淬硬傾向和冷裂紋敏感性[J].焊接學(xué)報,2013,34(6):81-84 Zhang Yuanjie,Peng Yun,Ma Chengyong,Peng Xinna,et al.Harden quenching tendency and cold cracking susceptibility of Q890 steel during welding[J].Transactions of the China Welding Institution,2013,34(6):81-84.

Research on Ultra Large Container Ship ultra-high-strength steel EH47 welding residual stress simulation and experiment

ZHOU Hong1,JIANG Zhi-yong1,LIU Jian-feng2,ZHENG Xin2,HU Xiao-cai2,ZHU Yü-long2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China;2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd,Shanghai 200137,China)

EH47 ultra-high-strength steel is widely used in regional structures of ultra large container hatch hoardings,the construction process is often accompanied by high welding residual stress which directly affects the security and life of the hull structure.The thesis based on finite element analysis software ANSYS, simulated for flat butt welding and obtained the size and distribution of welding residual stress,and used blind hole method for the weld area residual stress measurement.The results show that residual stresses near the weld area and the center showed tensile stress,with the gradual approach to the weld center,the tensile stress increases rapidly,when it reaches near the center of the weld,tensile stress reaches a maximum. With moving away from the center of the weld,the tensile stress decreases rapidly,up to a certain distance changes into compressive stress and compressive stress reaches a maximum at a distance of 2.5 centimeter at the weld toe,the simulation results are consistent with the experiment measured values,and heat treatment after welding can effectively reduce detrimental to the structural strength of the welding residual stresses.

container;EH47 ultra-high-strength steel;welding;residual stresse

TG481

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.08.008

1007-7294（2017）08-0993-08

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金（E091002）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目（14KJA570001）；高技術(shù)船舶科研專項子專題（15921019518）

周宏（1974-），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail:zjcyzh@163.com；蔣志勇（1956-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail:just_jzy@163.com。