船舶輕圍壁結(jié)構(gòu)的間斷焊和單面連續(xù)焊變形仿真

夏皓春， 張 鵬

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

在船舶上層建筑中，為降低重心、控制質(zhì)量，大量采用6.00～8.00 mm薄板和型材組焊的輕圍壁板結(jié)構(gòu)。但圍壁板厚較薄，在焊接過程中較易產(chǎn)生變形，為后續(xù)的裝配、總組帶來困難，因此選擇合適的焊接工藝是控制結(jié)構(gòu)焊接變形的有效辦法。目前，按照船級(jí)社規(guī)范要求，單面連續(xù)焊和間斷焊可應(yīng)用于上層建筑區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)質(zhì)量和焊接變形的控制，但具體選擇沒有明確說明。所進(jìn)行的有限元計(jì)算主要通過模擬單面連續(xù)焊和間斷焊的焊接過程，在保證結(jié)構(gòu)尺寸、約束條件和工藝參數(shù)完全一致的情況下，對(duì)比2種焊接工藝的輕圍壁結(jié)構(gòu)焊接變形趨勢(shì)和大小，為現(xiàn)場(chǎng)工藝方法的優(yōu)選提供理論指導(dǎo)。

1 焊接變形仿真

所建立的輕圍壁結(jié)構(gòu)模型尺寸較大，網(wǎng)格數(shù)量較多，綜合考慮計(jì)算的精度和效率，選擇基于固有應(yīng)變理論軟件完成焊接變形仿真。

1.1 固有應(yīng)變的計(jì)算和應(yīng)用

根據(jù)固有應(yīng)變理論，焊后變形由塑性應(yīng)變?chǔ)舙、熱應(yīng)變?chǔ)纽雍拖鄳?yīng)變?chǔ)舩共同作用產(chǎn)生，即固有應(yīng)變值εs=εp+ετ+εx。固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近區(qū)域，其分布和大小決定結(jié)構(gòu)最終的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)。

對(duì)于普通的輕圍壁結(jié)構(gòu)，可將焊接變形簡化為縱向變形和橫向變形，2種變形由材料的縱向和橫向固有應(yīng)變引起。設(shè)單位長度的縱向固有應(yīng)變總和為Wy，橫向固有應(yīng)變總和為Wx，則Wx和Wy與焊接線能量Q的關(guān)系為

(1)

式中：Q為焊接線能量，J/cm；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/s；K1、K2為比例因數(shù)，可根據(jù)實(shí)際的焊接工藝參數(shù)確定?，F(xiàn)場(chǎng)焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝參數(shù)

根據(jù)所求的Wx和Wy，對(duì)應(yīng)的縱向固有應(yīng)變Ws,y和橫向固有應(yīng)變Ws,x分別為

(2)

式中：Fi為施加固有應(yīng)變單元的截面積，cm2。

在Weld Planner軟件中，固有應(yīng)變值無法作為材料屬性直接賦予，但可通過更改材料的線膨脹系數(shù)達(dá)到相同的目的。固有應(yīng)變值可表示為線膨脹系數(shù)α與焊接溫度差ΔT的函數(shù)，即

εs=αΔT

(3)

式中：ΔT為1 480 ℃(試驗(yàn)采用母材熔點(diǎn)1 500 ℃與環(huán)境溫度20 ℃之間的差值)。

為得到準(zhǔn)確的固有應(yīng)變值和線膨脹系數(shù)，可通過修改材料的線膨脹系數(shù)，使仿真結(jié)果與實(shí)際焊接試樣的變形情況相符。經(jīng)熱源校核，將正確的參數(shù)作為初始載荷施加于結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用固有應(yīng)變?cè)磉M(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接變形的有限元計(jì)算。

1.2 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

經(jīng)篩選分析，對(duì)上層建筑區(qū)域典型的輕圍壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中：3根100.00 mm×63.00 mm×7.00 mm的角鋼沿縱向相隔800.00 mm分布于3 000.00 mm×2 200.00 mm×7.00 mm主板上。輕圍壁結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 輕圍壁結(jié)構(gòu)模型示例

應(yīng)用軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算精確度，所有構(gòu)件的網(wǎng)格建成Solid六面體單元。焊縫是熱源作用的主要區(qū)域，受到的應(yīng)力應(yīng)變情況復(fù)雜，該區(qū)域建為細(xì)網(wǎng)格。為提升計(jì)算效率，在不影響計(jì)算精度的情況下，隨著與焊縫的距離增加，網(wǎng)格尺寸逐步過渡至粗網(wǎng)格。焊縫的直角邊與焊角高度同為4.50 mm，劃分為2個(gè)節(jié)點(diǎn)。焊縫網(wǎng)格長度為25.00 mm，有利于后續(xù)間斷焊尺寸與間隔距離的設(shè)定。單面連續(xù)焊有限元模型包含45 108個(gè)節(jié)點(diǎn)，32 730個(gè)單元，如圖2所示；間斷焊有限元模型包含44 994個(gè)節(jié)點(diǎn)，32 379個(gè)單元，如圖3所示。

圖2 單面連續(xù)焊網(wǎng)格模型

圖3 間斷焊網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

為對(duì)比間斷焊與單面連續(xù)焊對(duì)結(jié)構(gòu)焊接變形的影響情況，構(gòu)件的材質(zhì)選擇屈服強(qiáng)度為235 MPa的普通船用鋼板，2種焊接方式的工藝參數(shù)完全相同。焊接順序完全按照現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置，如表2所示。

表2 焊接順序

單面連續(xù)焊先焊接中間角鋼，再依次焊接兩側(cè)角鋼。間斷焊采用滿足船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)的每段焊縫75.00 mm、間隔175.00 mm、包角焊300.00 mm的形式，每根角鋼與底板的角焊縫分為23段，兩側(cè)交錯(cuò)，由中間向兩端逐段焊接。對(duì)單面連續(xù)焊和間斷焊的每段焊縫進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。

圖4 焊縫編號(hào)

輕圍壁結(jié)構(gòu)采用三點(diǎn)約束法模擬結(jié)構(gòu)在自由狀態(tài)下焊接，同時(shí)在角鋼正下方設(shè)置z方向的夾持。焊接結(jié)束，通過設(shè)置clamp_release_xyz模擬構(gòu)件在剛性平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)力釋放，如圖5所示。

圖5 輕圍壁結(jié)構(gòu)約束條件示例

2 結(jié)果分析

整個(gè)計(jì)算過程分為焊接過程和釋放過程，2種焊接方式每根角鋼焊后及應(yīng)力釋放后的變形量云圖如圖6和圖7所示。

圖6 單面連續(xù)焊與間斷焊焊后變形對(duì)比

圖7 單面連續(xù)焊與間斷焊應(yīng)力釋放后變形對(duì)比

對(duì)比云圖可看出：單面連續(xù)焊與間斷焊對(duì)結(jié)構(gòu)整體的焊接變形趨勢(shì)影響相近。角鋼①焊后，在底板受熱變形的作用下整體有些上移，同時(shí)角鋼兩側(cè)底板的A、B邊緣有些上翹，C、D邊緣出現(xiàn)中拱趨勢(shì)，底板中間區(qū)域幾乎沒有變形。角鋼②焊后，底板的主要變形集中在角鋼②周圍，底板的C邊緣整體上翹。角鋼③焊后，底板的變形向角鋼③周圍集中，D邊緣整體上翹，但間斷焊的D邊兩端變形量比中間區(qū)域更大，而單面連續(xù)焊的D邊由B端向A端變形量逐漸增加。這主要是由于間斷焊采用由中間向兩端逐段焊接，而單面連續(xù)焊則是從B端向A端連續(xù)焊接，因此在焊縫附近區(qū)域的變形趨勢(shì)有所差別。

對(duì)于焊后應(yīng)力釋放，對(duì)比云圖可看出：結(jié)構(gòu)底板的C、D邊緣上翹，中間角鋼周圍的底板幾乎沒有變形。這主要是由于在應(yīng)力釋放過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力逐漸向自由端傳遞，同時(shí)該區(qū)域沒有其他結(jié)構(gòu)，剛度較小，從而導(dǎo)致底板的邊緣變形量較大。

為更精確地對(duì)比單面連續(xù)焊與間斷焊的變形趨勢(shì)和變形量，在焊后的底板上采集6條線上共50個(gè)測(cè)量點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，其中：L1～L4的測(cè)量點(diǎn)分布于底板的4個(gè)邊緣上，L5與L6的測(cè)量點(diǎn)分布于2根角鋼中間區(qū)域的底板上。測(cè)量點(diǎn)的具體情況如圖8所示。

圖8 底板上的測(cè)量點(diǎn)分布示例

從變形趨勢(shì)方面看，單面連續(xù)焊與間斷焊對(duì)結(jié)構(gòu)的影響基本一致。L1與L3表現(xiàn)整體上翹的形式，L3的上翹高度大于L1。這主要是由于L3的自由端面積大于L1，受到的剛性約束較小。L2與L4表現(xiàn)兩端翹起、中間下塌的形式。這是由于在L2與L4上只有部分區(qū)域受到焊接熱源的作用，中間區(qū)域受到角鋼結(jié)構(gòu)約束的影響，越到中間位置受到的約束越大，對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生抵消作用。L5與L6變形較小，均在2.50 mm以下，2根角鋼之間的底板呈現(xiàn)輕微的拱起。

2種焊接方式變形值對(duì)比如圖9所示。單面連續(xù)焊與間斷焊在底板橫向邊界(L1與L3)上的變形量相差較大，單面連續(xù)焊大于間斷焊。這主要是由于單面連續(xù)焊在整條焊縫軌跡上進(jìn)行連續(xù)施焊，焊接熱輸入對(duì)結(jié)構(gòu)的作用大，而非對(duì)稱施焊進(jìn)一步增大底板的焊接變形。在底板縱向邊界(L2與L4)上，單面連續(xù)焊的變形量略大于間斷焊。這是由于單面連續(xù)焊在整體的熱輸入方面大于間斷焊，但在角鋼兩端兩者均采用相同長度的包角焊，在縱向邊界上直接受到熱源作用的區(qū)域小。在底板中間區(qū)域(L5與L6)，單面連續(xù)焊與間斷焊的變形量均小于2.50 mm，且兩者相近。L5與L6不僅受到兩邊角鋼的剛性約束作用，而且由于溫度在底板上隨著與焊縫的距離越遠(yuǎn)下降越快，受到熱源的作用越小，因此呈現(xiàn)變形量小的結(jié)果。

圖9 單面連續(xù)焊與間斷焊變形值對(duì)比

3 結(jié) 論

通過基于固有應(yīng)變理論的軟件模擬計(jì)算輕圍壁結(jié)構(gòu)的單面連續(xù)焊與間斷焊的變形情況，結(jié)論如下：

(1)應(yīng)用軟件模擬計(jì)算輕圍壁結(jié)構(gòu)的焊接變形，得到的結(jié)果為：輕圍壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向邊界上翹，縱向邊界兩端翹起、中間下塌，角鋼之間的底板輕微中拱。這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的焊接情況相符，說明固有應(yīng)變法可準(zhǔn)確計(jì)算大型結(jié)構(gòu)的焊接變形情況。

(2)單面連續(xù)焊與間斷焊在焊接變形趨勢(shì)方面基本一致，說明結(jié)構(gòu)的焊接變形趨勢(shì)主要與結(jié)構(gòu)的形式、尺寸和焊縫分布有關(guān)。

(3)從焊接變形數(shù)據(jù)方面看，單面連續(xù)焊的數(shù)值大于間斷焊，其中：自由端L1的單面連續(xù)焊平均值為9.49 mm，間斷焊平均值為5.36 mm；自由端L3的單面連續(xù)焊平均值為13.66 mm，間斷焊平均值為5.37 mm。這說明對(duì)焊接變形的控制，間斷焊優(yōu)于單面連續(xù)焊。