船用大尺度薄板焊接工艺仿真及变形机理研究

王秋平，许 静，吴百公，鞠理杨，冯敏超，孙建志

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212000；2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

0 引言

船用薄板在建造过程中存在大量焊接结构。在焊接过程中由于焊接处与非焊接处受热情况不一致，导致薄板在冷却后存在残余应力，进而引起薄板变形。焊接变形和残余应力是由焊接部分在加热过程中的热膨胀和收缩引起的塑性收缩产生的，这将大大降低焊接结构的几何精度和结构强度，降低产品可靠性，推迟造船生产时间[1]薄板内部残余应力的大小、分布趋势会受到很多因素的影响，包括材料的特性、焊接方法、焊接参数、焊道层数、焊后热处理等。不同的焊接方法和焊接工艺产生的温度场不同，形成的热变形也不同。焊接温度场瞬态变化对焊件的性能有很大的影响[2]。为了保证较高的生产效率，采用恰当的焊接工艺控制薄板的变形至关重要。

预测和估计焊接残余应力和变形是非常必要的，而解决该问题最有效的方式之一是采用有限元方法计算模拟焊接行为[3-4]。TCHOUMI等[5]通过研究焊接速度对薄板变形的影响，发现焊接速度与热输入量直接相关，适当的焊接速度有利于减小机械变形和应力。毛远[6]在对高强钢薄板焊接变形机制研究的过程中，采用控制变量法，进行多组数值模拟计算，其结果发现：板的尺寸达到一定大的时候，在焊接工艺参数相同的情况下，板内残余应力分布趋于一致。由于大型船用甲板都是尺寸较大的薄板拼接在一起，为了减少计算量又接近实际情况，本文薄板尺寸的选择有3种，分别为50 mm×50 mm×5 mm、100 mm×100 mm×5 mm、200 mm×200 mm×5 mm，采用有限元法探究焊接工艺对不同薄板尺寸变形的影响规律，旨在为船舶制造中大尺度薄板的焊接工艺研究提供参考。

1 研究方案

1.1 热源选择与网格划分

焊接热源一般有双椭球热源模型和高斯热源模型。为了更接近实际的焊接工艺，采用双椭球热源模型，见图1。前、后两椭球内的热流密度分布各不相同，前、后两部分椭球热流密度公式定义为[7-8]

a、b、cf、cb—热源形状参数.图1 双椭球体热源模型

式中：f1、f2为前后两部分椭球体的能量分配系数，且f1+f2=2，一般f1取2/3，f2取4/3；a、b、cf、cb为热源形状参数，相互独立；Q为热输入功率，Q=ηUI，η为焊接效率，U为焊接电压，I为焊接电流。

本文主要研究焊接结束后的残余应力和变形，重点考虑对象是温度和应力应变的瞬态演变。为了缩短计算时间，保证计算的收敛性，在建模时做如下假设：

(1)不考虑焊接过程中的化学变化，忽略熔池作用。

(2)工件通过与空气的对流换热和热辐射进行散热。

(3)不考虑母材与焊条材料的不同。

金属材料的各种物理性能一般都会随温度变化而发生变化。焊接过程中温度变化十分剧烈，必须考虑材料属性的变化，在自定义材料时给出各属性随温度变化的数学变化关系。薄板材料选用结构钢，其热物理性能见表1。

表1 结构钢热物理性能参数

由于焊接过程温度变化十分剧烈，在材料内分布极度不均匀，靠近焊缝的地方在微小的距离就能产生极大的温度差，因此为了保证计算效率和计算精度，采用渐变式的网格划分方法。在靠近焊缝的区域选择细密的单元网格，网格尺寸为1 mm；在离焊缝较远的位置采用相对稀疏的单元网格，网格尺寸为3 mm，并且网格由板块边缘向焊缝的方向逐渐致密，见图2。在能保证计算精度的前提下，尽量使模型的网格总数较少。

图2 薄板及焊缝网格划分

1.2 边界条件设置

焊接温度场模拟的边界条件：环境温度、对流换热及辐射传热。环境温度取室温T0=20 ℃，并假定在焊接过程中不发生变化。对流换热与辐射传热按下式计算：

q=h(Ts-Ta)

式中：q为对流换热热流密度，W/m2；Ts为工件表面温度，K；Ta为周围环境温度，K；h为对流换热与辐射传热的综合传热系数，W/(m2·K)，按下式取值：

2 研究结果及分析

2.1 不同薄板尺寸的焊接变形机理

焊接过程中，接头处有限的部分获得输入能量大，这部分和周围处于熔融状态，将接头两个分离的部分连接起来。焊接移动热源作用下，沿着焊缝方向，中心温度最高。而远离热源处的温度逐渐降低，对接接头的温度场等温线呈椭圆状分布，见图3，沿着焊接扫描方向前端温度高于后端，温度场的轮廓线轨迹呈现彗星状，符合双椭球热源能量密度的空间分布情况。随着薄板尺寸增加，熔池中心所能达到最高温度略有增加，温度场分布形状逐渐趋向细长椭圆形。结合变形情况可知，见图4，沿着焊接轨迹中心向两侧产生拉应力，使熔池凝固后产生凸起，特别在焊接开始和结束的位置，变形情况明显，而中间部位变形较均匀。在焊接初始阶段和结束时，温度场的变化非常剧烈且不均匀，导致形成较大的温度梯度。但随着加工的进行，焊件会受到已加工部分的预热，温度变化区域稳定，准稳态温度场逐渐在焊件上形成，因而产生的热应力相对较小。在高温区域材料的热膨胀必然要受到周围区域的约束，除了接头的开始和结束部分外，大部分接头的横截面应保持平面，其力学行为是由对热膨胀的强烈纵向约束引起的，而横向约束非常低，可以假定为是不受约束的。

图3 不同薄板尺寸表面温度场分布情况

图4 不同薄板尺寸表面变形情况

薄板为对称分布，沿着截面剖开，观察温度场的分布状态，见图5(a)。随着焊接过程的进行，上表面温度由中心向四周发散，截面温度由上向下传递，不同时间节点位置，受热应力场的影响，都会引起薄板的瞬时变形，见图5(b)。变形程度随着焊接光源移动有所减缓，这是由于下一节点受已加工段的温度预热影响，使焊接残余应力降低。而靠近薄板边缘处的变形程度较明显，推测是该位置处与空气接触，热导率较快引起的。随着薄板尺寸变大，其变形情况相比较于前2种薄板尺寸的焊接结果更加集中，而薄板中心位置处无变形，说明该处的残余应力已得到有效释放，证明中心部位的焊接质量较高。

图5 不同薄板尺寸纵截面温度场分布和变形情况

为了进一步阐述不同薄板尺寸对焊接变形的影响机制，图6(a)～(c)绘制了沿着焊接方向上的起点、中间和终点温度随时间变化曲线分布情况。随着焊接过程的进行，前一节点熔化形成的温度场会对后一节点产生预热作用，因此后一节点所能达到的温度值要高于前一节点，即终点>中间>起点。当某一位置达到最高温度后，要以一定的冷却速率冷却[9]。以中间位置为例，3种不同薄板尺寸所能达到的最高温度值近乎相同，但薄板尺寸越大，下降至平稳状态时的温度值越小。由于薄板尺寸越大，完成焊接过程所需的时间越长，因此能够维持平稳温度的时间越长，使得薄板有足够的时间对产生的热应力进行释放，即中间位置的瞬时残余应力值逐渐降低，没有变形的产生。而焊缝方向两端，瞬时的热输入导致温度急剧升高，在薄板内部产生较大的温度梯度，因而残余应力升高明显，导致大量变形。

图6 不同薄板尺寸不同位置温度随时间变化曲线

2.2 不同焊接速度的薄板变形机理

以尺寸为50 mm×50 mm×5 mm的薄板为研究对象，采用有限元模拟不同焊接速度条件下表面和纵截面温度场和变形分布情况。在焊接速度为4 mm/s时，温度场中心所能达到的温度值最高，但随着焊接速度的增大，最高温度值呈下降趋势。这可以进一步解释为：焊接速度越慢，停留在某一节点的单位时间越长；该节点所接受的能量密度越多，熔化量增多，导致熔池中心温度显著升高，较高的热温度梯度引起焊后内部热应力增加，导致较大变形的发生。然而，当焊接速度越快时，沿纵截面温度传导的深度将变浅，导致温度梯度降低，变形程度减小。因此，在实际的薄板焊接过程中，要选取合适的焊接速度，既要保证足够的热输入量确保连接性，又要尽量抑制焊后变形。

3 结论

(1)随着薄板尺寸增加，温度场分布形状逐渐趋向细长椭圆形，沿着焊接轨迹中心向两侧产生拉应力，在焊接开始和结束的位置变形明显，而中间部位变形相对均匀。

(2)薄板尺寸越大，完成焊接所需的时间越长，能够维持平稳温度的时间增加，使薄板有足够的时间释放热应力。

(3)焊接速度影响节点单位时间输入能量的多少，焊接速度越低，熔池中心所能达到温度值越高，温度梯度越大，变形程度越明显。