船舶對接接頭焊接變形及焊接工藝優(yōu)化研究

中圖分類號：TG44 文獻標志碼：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，對鋼材的強度和厚度等性能提出了更高要求。極厚高強度止裂鋼不僅能夠保證結(jié)構(gòu)強度，還可以有效防止低溫、高壓等復雜環(huán)境下裂紋的生長與擴展，有效減少鋼材的使用量，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

焊接過程是一個局部加熱和冷卻的過程，在對極厚鋼板進行焊接時，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)越會在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生更高的殘余應力。若與工作應力疊加，會大大增加接頭開裂的風險。為解決厚板焊接中的熱輸入控制、殘余應力水平降低等難題，降低焊接缺陷發(fā)生率，進而顯著提高生產(chǎn)效率，有效削減生產(chǎn)成本，拓展極厚高強度止裂鋼在更多領域的應用，研究厚板高效焊接技術(shù)十分必要。

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

本文聚焦于船舶對接接頭的焊接過程，采用ANSYSWorkbench進行建模操作，并實施熱-彈塑性有限元計算，剖析其焊接過程中的溫度場及應力場分布特征。同時對超高強度極厚鋼板焊接工藝進行研究，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計要求。

2 船舶對接接頭焊接變形數(shù)值模擬研究

使用ANSYSWorkbench對平板對接焊接過程開展仿真，對接接頭模型由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。

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

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

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；而在焊接行進的方向上，熱流則遵循高斯分布規(guī)律。具體表達式如式（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。

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

運用固有變形理論計算焊接變形時，需考量縱向、橫向固有收縮和角變形，三者對于準確評估焊接變形具有重要意義。生產(chǎn)中常利用機械加工對焊件角變形進行消除，因此焊接變形中起主導作用的仍為縱向和橫向固有收縮，其表達式如式（3）、（4）。

式中： 、 分別代表縱向與橫向固有變形；

、 分別為縱向、橫向固有應變；h為接頭厚度;

x 、y、 z 分別對應焊接方向，橫向以及厚度向。

在碳鋼的固有應變中，塑性應變占主要成分?？v向、橫向固有收縮量 與 可通過對接頭橫截面上縱向、橫向塑性應變 和 積分來獲取。鑒于薄板的縱向固有應變在厚度方向的分布呈現(xiàn)近乎均勻一致的特性，式（3）、（4）可簡化為式（5）、（6）

采用上述工藝參數(shù)與熱源模型進行有限元仿真。在使用MAG焊進行焊接時，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當超過焊絲與母材的熔點，使仿真更為準確。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 ，認為焊件已完成冷卻。

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

由圖6可見，平板對接接頭的殘余應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)出基本對稱的分布特征，最大值為 。分析其成因為當熱源在焊道上移動時，焊件整體發(fā)生了膨脹，對兩端寬度方向的約束側(cè)造成擠壓，產(chǎn)生了應力。

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行約束的兩端，且呈現(xiàn)出對稱分布，最大變形量為 0 . 3 1 3 m m 。

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

3工藝參數(shù)對平板對接焊溫度場及殘余應力的影響

結(jié)構(gòu)初始缺陷是船舶設計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力及其引發(fā)的變形。二者對建造精度及整體質(zhì)量有著顯著影響，不僅關(guān)系到船舶建造階段能否達到預定質(zhì)量標準，更與船舶使用中的安全性、服役壽命相關(guān)。因此選用科學的焊接工藝參數(shù)及焊接方法來實現(xiàn)對殘余應力和變形的有效控制十分重要。本節(jié)針對平板對接焊操作中焊接電流、焊接速度、熱源半徑以及板厚這四個關(guān)鍵工藝參數(shù)開展工況設計工作，運用ANSYSWorkbench進行有限元仿真，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作為仿真溫度場分析代表，圖8展示了工況3在12s和 8 0 0 0 s 時刻對應的焊接溫度云圖。當熱源在焊縫上移動加熱時，呈現(xiàn)出一定的靜態(tài)特性，即行進過程中加熱斑點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；移動到板邊時，由于端部效應影響，使得最高溫度有所上升；充分散熱后，焊件的溫度逐漸恢復到室溫，溫度分布也較為對稱。

對各工況焊件上同一點的溫度隨時間變化的曲線進行分組繪制，得到四項參數(shù)變化下的溫度循環(huán)曲線對比，如圖9所示。

每張圖線分別對應一種工藝參數(shù)變化對溫度循環(huán)曲線帶來的影響。如圖，當僅有焊接電流升高時，焊件上會吸收更多熱量，A點的溫度峰值也隨之上升，但峰值點出現(xiàn)時間幾乎不變；當僅有焊接速度加快時，由于焊件獲得熱量的時間變短，使得A點溫度峰值逐漸降低，且峰值點出現(xiàn)時間提前；當僅有熱源半徑加大時，由于受熱面積同步增大，導致A點溫度峰值不斷降低，但峰值點出現(xiàn)的時間幾乎不變；當焊件板厚變化時，由于熱源直接接觸的部分幾乎不變，導致A點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進行仿真，焊接參數(shù)如表3。分組繪制各工況焊件上同一點的溫度循環(huán)曲線，得到三項參數(shù)變化下的對比圖，如圖10所示。

對比1-10、A1-A10對應工況可見，當板厚增加到一定程度時，焊件的體積也成倍增加，導致吸收相同熱量上升的溫度明顯減少。因此，焊件上A點的溫度峰值會隨板厚大幅增加而顯著下降，并且其溫度達峰以及逸散時間也隨之產(chǎn)生一定縮短。

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

結(jié)合上述圖線，可對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以降低焊件殘余應力與整體變形。例如，適當加快焊接速度，以減少焊件受熱時長，同時適當加大焊接電流，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A1和A10的殘余應力和變形情況進行對比分析，以驗證給出的工藝參數(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力、焊接變形云圖如圖11、12所示。

如圖，A1工況下焊件殘余應力最大值為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力與變形都有了一定程度的下降，驗證了適當增加焊接速度與焊接電流以減少焊件的殘余應力與整體變形幅度的舉例正確性。

4超高強度極厚鋼板焊接工藝研究

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

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)合仿真與實驗，確定最佳焊接順序以減少焊接變形；3）合理設計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焊（KX法），來有效提高焊接效率和質(zhì)量。

對于極厚板焊接，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，導致焊接時間長，人力成本上升，對船舶建造周期產(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。通過雙電極同時焊接，能夠在無坡口、無間隙條件下實現(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：1）雙電極同時焊接，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，確保了接頭的力學性能；3）該工藝入熱量較高，有效延長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。當單面焊接完成后需翻身進行另一面的焊接，但無需碳刨處理也可實現(xiàn)完全焊透。

根據(jù) 鋼板在南通中遠海運川崎2 4 0 0 0 T E U 集裝箱船的實際應用情況，對自標母材進行了KX法的焊接性能評價試驗。焊接接頭的力學性能評價主要由船廠完成。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，確定了合適的選擇。選取的焊接材料及工藝參數(shù)見表4。

之后對接頭取樣，進行UT、MT、拉伸、彎曲、夏比沖擊試驗、硬度試驗及宏觀金相試驗，確保KX法極厚板焊接接頭的機械性能滿足船級社要求，取得了ABS船級社的焊接工藝認可。

極厚板焊接工藝要求嚴格、注意事項多。為此對極厚鋼板的焊接工藝進行研究和試驗，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計要求，并編制了EH47極厚高強度鋼板雙絲自動化焊接工藝標準，對坡口型式、工藝參數(shù)、預熱及層間溫度管理、焊材等都進行了具體規(guī)定。

5 結(jié)語

1）對平板對接接頭焊接進行仿真，得到焊件的殘余應力與變形分布。接頭的殘余應力主要集中于寬度方向約束區(qū)，且呈現(xiàn)出對稱分布特征，最大值為36.7 ；焊接變形主要對稱分布于未進行約束的兩端，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計并進行仿真，得到各工況下焊件上某點的溫度循環(huán)曲線，針對參數(shù)變化對曲線造成的影響進行對比分析，為工藝參數(shù)組合優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3）對超高強度極厚止裂鋼焊接工藝開展研究，對KX焊接法的特點進行分析，經(jīng)試驗最終確定合適的坡口形式及工藝參數(shù)，對接頭進行焊接評定試驗，獲得了船級社的認可，在確保焊接性能滿足設計要求的同時提升了極厚板焊接效率。

參考文獻

[1]李新平，王榮輝，李澤雨.平板對接焊殘余應力的三維有限元模擬與實驗研究[J].熱加工工藝，2011，40（7）：138-141.

[2]張仁軍，管曉光，吳海濤.不同坡口形式平板對接焊接變形的數(shù)值分析[J].哈爾濱理工大學學報，2013，18（2）： 4 2 - 4 5 + 5 1

[3]湯小紅，陳玉玲，黃文鵬.基于ANSYS的不同焊接電流下平板對接焊數(shù)值模擬[J].焊接技術(shù)，2015，44（4）：5-9.

[4]KoD.AStudyontheSavingMethodofPlateJigsinHullBlockButtWelding[J].IOPConferenceSeries：MaterialsScienceand Engineering，2O17，269（1）.

[5]谷曉梅，張曉飛，宋彥宏.焊接工藝參數(shù)對船用高強度鋼平板殘余應力的影響[J].中國海洋平臺，2019.34（2）：86-94.

[6]李祖臣，周建新.基于ANSYS的Q345R厚板焊接數(shù)值模擬研究[J]焊接技術(shù)，2020，49（6）：79-86.

[7]崔虎威，樊開敬.平板對接焊溫度場與殘余應力數(shù)值模擬[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2022.41（9）：140-146.

[8]薄純?nèi)?，張曉飛，李良碧，等.考慮材料硬化模型的對接焊平板殘余應力研究[J]艦船科學技術(shù)，2022，44（9）：12-17.

[9]王陽.大型復雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形分析方法的研究及應用[D].上海：上海交通大學，2017.

[10]莫中華，謝新堂，陳瑾琪，等.一種厚板的雙電極自動焊工藝方法：中國：CN201811332124.4[P].2019-02-15.