焊接残余应力对2 300客位滚装船船体结构影响

黄 慧，冯 伟

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

大部分客滚船有着钢板薄、设备板厚比之大很多的特点，这对焊接提出很高的要求。目前对客滚船因焊接残余应力引起结构裂缝的研究还不是很多，本文以2 300客位车线滚装船营运过程中产生的结构裂缝作为研究对象，建立全船有限元模型，分析焊接残余应力对船体结构的不利影响。

1 焊接残余应力和变形

焊接作为船舶制造业的重要组成工艺，是运用加热等方式，将构件通过焊丝不可拆除地连接在一起的加工工艺。由于瞬时高热量，构件在焊接过程中和焊接后将产生相当大的残余应力和变形，不但可能引起焊缝完全断裂，还会使船体结构强度变低。所以，了解焊接残余应力的作用规律，懂得焊接残余应力的消除方法对船舶的设计建造有着重要意义。

焊接残余应力和变形是指随焊接热过程和冷却过程焊接材料和焊接结构随体积变化而出现相应变化的内应力和变形。

焊接应力一般有以下三种：

(1)纵向残余应力(平行于焊缝方向)。焊缝中部为高的拉伸应力，其峰值可以达到屈服极限，而焊缝两端引弧和熄弧为下降的压缩应力。

(2)横向残余应力(垂直焊缝方向)，是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩引起的焊接残余应力以及焊缝及其附近塑性变形区收缩的不同时性所引起的残余应力的综合。

(3)厚度方向的残余应力。通常来说，当板厚超过一定厚度或采用多层焊接时，由于焊接时沿厚度方向内部比表面冷却缓慢或经过多次的焊接热过程，会引起厚度方向的残余应力。

焊接变形一般有整体变形和局部変形。整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化时是由于焊缝在各个方向收缩所引起的，包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。局部变形是指结构的某种部分发生变形，包括角变形和波浪变形。

2 实例分析

2.1 实船现状

2 300客位车线客滚船是一型短途国际航行，承载旅客、承运各类车型的客/车滚装船。本船按照2类客船设计，具有多层连续甲板，上层建筑丰富的特点，稳性和船体结构强度设计满足无限航区的客滚船要求。该船中横剖面示意图如图1所示。从图1得知，本船一共有10层甲板，车辆装在第1、3、5层甲板上，旅客和船员区域布置在第7、8、9、10层甲板上。第9甲板布置了很多二等舱，不仅在船体两侧薄薄的外板上开了很多窗户，还将外板做成槽形来增加艺术美感。

2 300客位车线客滚船一共有四条船：K11/K12和K15/K16，K15/K16是后一批交付运营的船舶。K16于2015年3月交付运营，运营1 a后发现，整船出现了22处裂缝，绝大多数裂缝均出现在窗户上方两侧且垂直于焊缝方向，其裂纹如图2所示；其他个别裂缝出现在窗框与外板肘板趾端之间，其裂纹如图3所示。K16的这些裂缝在先于K16运营的同船型都没出现过。

图1 中横剖面图

图2 实船窗户区域的裂纹一

图3 实船窗户区域的裂纹二

2.2 有限元计算和结果分析

出现裂缝的地方位于九甲板上方的外围壁区域，区域的外板上有大量的窗户开孔，且外板形状呈槽型，其外形图如图4所示。根据规范，在计算、校核船体结构总纵强度时，上层建筑部分是不计入考虑的。因此，为了排除船体总纵变形引起窗户局部裂纹的可能性，本文建立了全船有限元模型，加载总纵弯矩包络线，计算总纵强度对窗户裂纹区域的影响。窗户裂纹区域有限元模型如图5所示。

有限元细网格计算如图6所示，窗户裂纹处的有限元计算如图7所示。图6和图7的计算结果表明：最大应力值为256 MPa，应力最大的地方发生在窗户与窗户之间凹陷的边角处和两个窗户之间的连接肘板上，并不在实际发生裂缝处。窗框上方垂直于焊缝的大开口裂缝处的应力值约为30 MPa，远远达不到撕裂如此大开口的程度。因此，通过理论计算发现，结构设计是合理的，不是导致裂纹的原因。

图4 实船窗户外观

图5 窗户裂纹区域有限元细模

图6 有限元细网格计算结果

图7 窗户裂纹处的有限元计算

在排除是结构设计缺陷导致结构强度减小而引发的大开口裂缝这个因素后，通过船厂调查、实船检查，最终确定K16船的大开口裂缝是由焊接残余应力引起的。

该层甲板上的窗框均为矩形结构，尺寸为44 mm×55 mm的钢条，且是一个框型整体成品，有着足够的刚度。所有窗框是船厂将分段合拢后，再直接与6.5 mm的外围壁板焊接。由于板厚相差悬殊，为了保证焊接质量，船厂不得不采用更高热度的焊接温度，导致焊弧将焊丝条与母材熔化连接时，焊区周围产生了不均匀的温度场。在焊接过程中，焊接区域被急剧加热并局部融化，焊接区域材料受热膨胀。热膨胀过程中，由于窗框与外板的板厚差，两者的膨胀速率不一样，并且周围区域温度相对较低，所以受到这些制约影响，焊接构件的弹性应变会产生压缩应力，而受热区域的屈服极限强度会明显下降。当产生的压缩应力超过该屈服极限强度时，焊接区形成塑性热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短，因此焊接区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。由于这种原因导致的焊接残余应力主要为横向残余应力，即应力方向垂直于焊缝方向。

另外，由于窗框和窗户连接肘板的存在，使得它们之间的外板边界刚性也很大，导致了焊接过程中它们周围的焊接构件不能自由地收缩，很大程度上抑制了焊接变形，使得该区域焊后变形小，外板内部的焊接残余应力进一步加大，因此K16船才会出现多处图2所示的大开口裂缝。图3的裂缝是由于外板与外板在焊接过程中，焊缝质量缺陷导致焊接残余应力在此处释放，形成大开口裂缝。

2.3 解决办法

从焊接残余应力的产生过程来看，由于窗户与外板的焊接区域产生了塑性压缩性形变，从而导致内部形成了残余应力，且在窗户与外板焊接时，窗户玻璃等已经嵌入窗框里，常规的焊后热处理、锤击等方法会对窗户产生潜在的破坏危险。因此，焊接时可以采取使焊缝区外板产生适当的塑性伸长量来解决问题。

由于是焊接残余应力和变形引起的裂缝和裂纹，因此建议船厂焊接时不要通过火工矫正外板变形，将裂缝补焊重合，而是采取将大开口裂缝区域和已产生小裂纹区域的外板割掉，释放出焊接残余应力。根据焊接经验，可采取将补板增加一点焊接预伸长变形余量，并对构件进行提前预热的方法。修补后的K16船运营1 a后，此大开口裂缝事故没有再次发生。 在造船工艺中，大量用到角焊接和T型接头，对于高应力区域还会要求采用深熔焊或者全焊透。具体的焊接要求和焊接区域，船级社规范有明确的说明。焊接时要特别注意高应力区、特殊节点或者厚度较厚的板的焊接。船厂可采取适当的降低焊接残余应力的措施，如：采用较低热量的焊接方式；采用合理的焊接顺序；减少分段上船台后的焊接量；施焊前使焊件有一个和变形相反的预变形。

3 结语

在客滚船的建造过程中，会大量用到填角焊形式，船体板厚通常比设备板厚薄很多，因而会对焊接有着更高的要求。焊接时必须根据船体构件及其建造过程的特点有针对性的采取处理措施，如采用相对低热量的焊接方法来避免薄板的相对焊接变形，或者窗框与外板焊接放在上船台之前完成，但在建造过程中如何因地制宜地采取某些具体步骤和措施还有待进一步研究探讨。

参考文献：

[1] 郑艺辉. 船舶曲面焊接残余应力与变形有限元分析[D].大连：大连海事大学，2008.

[2] 陆伟东. 船舶建造工艺[M]. 上海:上海交通大学出版社,1991.

[3] 黄晶,刘宇光,张涛，等. 厚板焊接残余应力的试验研究[J]. 中国舰船研究,2009，4(5)：33-36.