工藝參數(shù)對平板對接焊溫度場及殘余應(yīng)力的影響

許維明，瞿榮澤，李智東，周 波

（1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，遼寧大連 116052；2.大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

超大型集裝箱船具有勞務(wù)投入相對較低、箱位平均油耗低、運(yùn)貨量高和平均效率高等優(yōu)勢，使得集裝箱船不斷向大型化方向發(fā)展，以提高航運(yùn)公司的航運(yùn)效益。集裝箱船結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，建造工序繁瑣，特別是對水密艙壁、抗扭箱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配時(shí)難度極大，需要對大量復(fù)雜接頭及不同厚度的船舶平板進(jìn)行焊接，增加了焊接部位出現(xiàn)不良缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。該類船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營方式導(dǎo)致了其建造難度大、設(shè)計(jì)要求高，對焊接工藝、裝配精度等方面的要求近乎苛刻。

船舶結(jié)構(gòu)初始缺陷是設(shè)計(jì)和建造船舶時(shí)必須考慮的問題，它主要是焊接殘余應(yīng)力和變形造成的，為了提高集裝箱船的建造質(zhì)量，必須對焊接殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行有效控制[1]。對于典型焊接接頭和小型焊接結(jié)構(gòu)，通常采用熱-彈塑性法對其焊接殘余應(yīng)力及變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用該方法不僅可以獲得精確的焊接結(jié)果，而且還可以模擬出焊接過程中熱、應(yīng)力及應(yīng)變的變化，因此被廣泛應(yīng)用于焊接過程數(shù)值模擬中[2]。韓成才等人[3]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了對T 型多道焊采用熱-彈塑性有限元法計(jì)算其焊接變形的準(zhǔn)確性，并通過數(shù)值模擬分析了焊接路徑和約束條件對焊接變形的影響，對試驗(yàn)焊接工藝做出了優(yōu)化。張仁軍等人[4]針對接頭坡口形式與焊接變形量的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，通過熱-彈塑性法對大量設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算，總結(jié)出了坡口形式與焊接變形之間的關(guān)系。KO 等人[5]利用熱-彈塑性法計(jì)算了平板施加夾具后的焊接變形情況，通過優(yōu)化夾具的位置使平板對接接頭的焊接變形得到了控制，從而提高了船舶的建造精度。

本文以船舶常見的平板對接焊為分析對象，根據(jù)焊接電流、焊接速度和板厚3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)，再利用有限元分析軟件ANSYS，對眾多工況進(jìn)行熱-彈塑性有限元計(jì)算，得到各工況的焊接應(yīng)力場及變形結(jié)果。

1 有限元模型設(shè)置

船舶平板對接接頭采用了2 塊長120 mm、寬100 mm 的平板，其厚度隨工藝參數(shù)的變化不同工況間有所差異，采用的坡口形式均為I型坡口。

為節(jié)約計(jì)算資源并確保計(jì)算精度，模型網(wǎng)格被劃分為非均勻的形式，焊縫加密區(qū)域?qū)挾仍O(shè)為10 mm，該區(qū)域采用較為精細(xì)的網(wǎng)格，從中間到兩端逐漸過渡到較為稀疏的網(wǎng)格。圖1 為厚度為6 mm的平板對接接頭有限元模型示意圖。圖1中一共包含12 952個(gè)單元和62 757個(gè)節(jié)點(diǎn)，焊縫區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為1 mm，其它工況也采用同樣的網(wǎng)格劃分方法。A、B、C、D是用來提取計(jì)算結(jié)果的點(diǎn)。

圖1 厚度為6 mm的平板對接接頭有限元模型示意圖

進(jìn)行溫度場計(jì)算時(shí)，以對流換熱和熱輻射的形式與外界進(jìn)行能量交換，其中熱輻射系數(shù)取0.2，對流換熱系數(shù)ha根據(jù)式（1）計(jì)算得到[6]；計(jì)算應(yīng)力變形時(shí)，采用圖1所示的三點(diǎn)約束法對模型進(jìn)行約束，使模型在焊接過程中能自由收縮變形。

式中，T為溫度，℃。

分析所用的材料為低碳鋼，進(jìn)行焊接模擬時(shí)采用文獻(xiàn)中的材料性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[7]。

計(jì)算瞬態(tài)溫度場時(shí)采用高斯熱源模型來模擬移動(dòng)電弧的熱量輸入，該模型的熱流密度q′( )r分布可按式（2）～（3）進(jìn)行計(jì)算[8]：

式中，r為任意一點(diǎn)到熱源中心的距離；q′m為熱源中心位置的最大熱流密度；η為焊接熱效率；R為電弧有效加熱半徑；U為電壓；I為電流。

進(jìn)行溫度場分析時(shí)，通過ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）命令流來實(shí)現(xiàn)高斯熱源在焊縫上移動(dòng)加熱。

2 焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

為研究焊接工藝參數(shù)對船舶平板對接焊應(yīng)力場及變形的影響規(guī)律，本文選擇從焊接電流、焊接速度和板厚3個(gè)方面進(jìn)行分析。進(jìn)行分析時(shí)，各工況保持材料參數(shù)、接頭類型、主要尺寸和坡口形式等不變。計(jì)算工況及焊接參數(shù)如表1所示，根據(jù)表1 中工況進(jìn)行不同的組合，通過控制變量法，就可以對不同焊接工藝參數(shù)與焊接應(yīng)力、殘余應(yīng)力及變形之間的關(guān)系進(jìn)行研究。本文一共設(shè)置了11個(gè)工況。

表1 計(jì)算工況及焊接參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況3計(jì)算結(jié)果

以工況3 為例，給出其溫度場、應(yīng)力場和變形的計(jì)算結(jié)果，并對結(jié)果的特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)。

圖2 為工況3 在6 s 時(shí)的接頭焊接瞬態(tài)溫度場云圖，由圖2 知，高斯熱源在接頭焊縫上移動(dòng)加熱時(shí)具有一定的靜態(tài)特征，即在熱源的行進(jìn)過程中熱源的加熱斑點(diǎn)形狀及最高溫度（約1 710 ℃）基本不變。

圖2 工況3在6 s時(shí)的接頭焊接瞬態(tài)溫度場云圖

本文通過順序耦合的方式，將溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果作為應(yīng)力變形計(jì)算的輸入載荷，最終得到應(yīng)力及變形結(jié)果。對接接頭焊接殘余應(yīng)力分布云圖如圖3所示，平板對接接頭的焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊件中部，焊縫呈對稱分布，最大應(yīng)力達(dá)到約219 MPa。

圖3 對接接頭焊接殘余應(yīng)力分布云圖

在熱-彈塑性有限元計(jì)算中，得到應(yīng)力結(jié)果的同時(shí)也能得到變形結(jié)果。圖4為對接接頭的面外變形（Z方向位移）分布，由圖4 知，焊接變形對稱分布于焊縫兩側(cè)，其分布特點(diǎn)與殘余應(yīng)力相似，由于對角點(diǎn)進(jìn)行了約束，所以角點(diǎn)處位移接近于0。同時(shí)，對接接頭的面外變形集中分布在中部，焊縫區(qū)域呈中間下凹的趨勢，其中最大面外變形大小為1.44 mm，發(fā)生在焊縫的息弧端。

圖4 對接接頭的面外變形（Z方向位移）分布

3.2 焊接電流影響

焊接電流I是重要的焊接工藝參數(shù)之一，不同電流大小會(huì)造成不同的溫度及應(yīng)力變形結(jié)果。圖5為不同焊接電流A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布，可以看出不同焊接電流下殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)一致，隨著電流的增大，焊縫中部的縱向殘余應(yīng)力峰值都在增大。圖6為不同焊接電流C-D路徑處的面外變形分布，可以看出電流增大后，焊件的面外變形量明顯增大，表明電流對焊接變形有較大影響。發(fā)生這些變化的主要原因在于電流增大后，熱源的功率增大，在速度不變的情況下線能量增大，導(dǎo)致單位長度內(nèi)所接受的能量增加，引起了溫度進(jìn)一步上升，進(jìn)而導(dǎo)致殘余應(yīng)力及變形的增大。

圖5 不同焊接電流A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布

圖6 不同焊接電流C-D路徑上的面外變形分布

3.3 焊接速度影響

焊接速度v也是焊接過程中重要工藝參數(shù)之一，速度過快或過慢都會(huì)造成不良缺陷，選擇合適的焊接速度有益于保障焊接質(zhì)量。圖7為不同焊據(jù)速度A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布情況，隨著焊接速度增大，熱源在焊縫上的停留時(shí)間減少，熱量輸入量降低，因此殘余應(yīng)力減小。圖8為不同焊接速度C-D路徑上的面外變形分布，隨著焊接速度增大，線能量減小，殘余應(yīng)力減小，焊件的面外變形也隨之減小。

圖7 不同焊接速度A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布

圖8 不同焊接速度C-D路徑上的面外變形分布

3.4 板厚影響

板厚H是確定焊接工藝時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素，不同板厚往往需要采用不同的焊接方法，板厚越大，焊接工藝越復(fù)雜，焊接難度也越大。本文對板厚進(jìn)行分析時(shí)，并未考慮焊縫填充，仍以單道焊的方式進(jìn)行焊接。圖9 為不同板厚A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布，隨著板厚增加，焊縫中心線上的縱向殘余應(yīng)力峰值也在增加，整體殘余應(yīng)力增加，這是由于焊接鋼板越厚，焊接時(shí)受到的自身約束越多，焊接后的殘余應(yīng)力值就越大。在分析板厚對變形的影響時(shí)，可以從3 個(gè)方面進(jìn)行分析，即板材剛度、焊縫橫截面積和上下表面溫度差。由于本文采用的是不考慮焊縫填充過程的單道焊，因此只需考慮板材剛度和溫差對焊件變形的影響。圖10 為不同板厚C-D路徑上的面外變形分布，隨著板厚增大，面外變形減小，說明板厚增大后，板材剛度增大對面外變形的抑制效果要強(qiáng)于上下表面溫差增大對面外變形的促進(jìn)效果。

圖9 不同板厚A-B路徑上的縱向殘余應(yīng)力分布

圖10 不同板厚C-D路徑上的面外變形分布

4 結(jié)束語

本文基于ANSYS 建立了平板對接焊的有限元模型，根據(jù)焊接電流、焊接速度和板厚3個(gè)焊接參數(shù)設(shè)置多個(gè)工況，通過熱-彈塑性有限元法對焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并總結(jié)了焊接工藝參數(shù)對焊接殘余應(yīng)力及變形的影響規(guī)律，為集裝箱船在建造過程中選擇合理的焊接工藝參數(shù)控制焊接變形和殘余應(yīng)力提供了一定的參考價(jià)值，得到如下結(jié)論。

1）計(jì)算結(jié)果表明，焊接電流越大，在其他參數(shù)保持不變時(shí)，焊接殘余應(yīng)力越大，變形也越大；焊接速度越大，在其他參數(shù)保持不變時(shí)，焊接殘余應(yīng)力越小，變形也越??；對于不考慮焊縫填充過程的單道焊，焊件板厚越大，在其他參數(shù)保持不變時(shí)，焊接殘余應(yīng)力越大，而焊接變形越小。

2）本文只對焊接工藝參數(shù)中的3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，其它參數(shù)比如焊接電壓、環(huán)境溫度、坡口形式、構(gòu)件長寬比、焊接材料性能、焊接順序、約束條件等，對焊接溫度場及應(yīng)力變形的單一影響和相互之間影響有待進(jìn)一步研究。