船舶轻围壁结构的间断焊和单面连续焊变形仿真

夏皓春， 张 鹏

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

0 引 言

在船舶上层建筑中，为降低重心、控制质量，大量采用6.00～8.00 mm薄板和型材组焊的轻围壁板结构。但围壁板厚较薄，在焊接过程中较易产生变形，为后续的装配、总组带来困难，因此选择合适的焊接工艺是控制结构焊接变形的有效办法。目前，按照船级社规范要求，单面连续焊和间断焊可应用于上层建筑区域进行结构质量和焊接变形的控制，但具体选择没有明确说明。所进行的有限元计算主要通过模拟单面连续焊和间断焊的焊接过程，在保证结构尺寸、约束条件和工艺参数完全一致的情况下，对比2种焊接工艺的轻围壁结构焊接变形趋势和大小，为现场工艺方法的优选提供理论指导。

1 焊接变形仿真

所建立的轻围壁结构模型尺寸较大，网格数量较多，综合考虑计算的精度和效率，选择基于固有应变理论软件完成焊接变形仿真。

1.1 固有应变的计算和应用

根据固有应变理论，焊后变形由塑性应变εp、热应变ετ和相应变εx共同作用产生，即固有应变值εs=εp+ετ+εx。固有应变存在于焊缝及其附近区域，其分布和大小决定结构最终的残余应力和变形状态。

对于普通的轻围壁结构，可将焊接变形简化为纵向变形和横向变形，2种变形由材料的纵向和横向固有应变引起。设单位长度的纵向固有应变总和为Wy，横向固有应变总和为Wx，则Wx和Wy与焊接线能量Q的关系为

(1)

式中：Q为焊接线能量，J/cm；I为焊接电流，A；U为电弧电压，V；v为焊接速度，cm/s；K1、K2为比例因数，可根据实际的焊接工艺参数确定。现场焊接工艺参数如表1所示。

表1 现场焊接工艺参数

根据所求的Wx和Wy，对应的纵向固有应变Ws,y和横向固有应变Ws,x分别为

(2)

式中：Fi为施加固有应变单元的截面积，cm2。

在Weld Planner软件中，固有应变值无法作为材料属性直接赋予，但可通过更改材料的线膨胀系数达到相同的目的。固有应变值可表示为线膨胀系数α与焊接温度差ΔT的函数，即

εs=αΔT

(3)

式中：ΔT为1 480 ℃(试验采用母材熔点1 500 ℃与环境温度20 ℃之间的差值)。

为得到准确的固有应变值和线膨胀系数，可通过修改材料的线膨胀系数，使仿真结果与实际焊接试样的变形情况相符。经热源校核，将正确的参数作为初始载荷施加于结构，从而实现应用固有应变原理进行结构焊接变形的有限元计算。

1.2 模型尺寸及网格划分

经筛选分析，对上层建筑区域典型的轻围壁结构进行建模，其中：3根100.00 mm×63.00 mm×7.00 mm的角钢沿纵向相隔800.00 mm分布于3 000.00 mm×2 200.00 mm×7.00 mm主板上。轻围壁结构模型如图1所示。

图1 轻围壁结构模型示例

应用软件对模型进行网格划分，为提高计算精确度，所有构件的网格建成Solid六面体单元。焊缝是热源作用的主要区域，受到的应力应变情况复杂，该区域建为细网格。为提升计算效率，在不影响计算精度的情况下，随着与焊缝的距离增加，网格尺寸逐步过渡至粗网格。焊缝的直角边与焊角高度同为4.50 mm，划分为2个节点。焊缝网格长度为25.00 mm，有利于后续间断焊尺寸与间隔距离的设定。单面连续焊有限元模型包含45 108个节点，32 730个单元，如图2所示；间断焊有限元模型包含44 994个节点，32 379个单元，如图3所示。

图2 单面连续焊网格模型

图3 间断焊网格模型

1.3 计算参数设置

为对比间断焊与单面连续焊对结构焊接变形的影响情况，构件的材质选择屈服强度为235 MPa的普通船用钢板，2种焊接方式的工艺参数完全相同。焊接顺序完全按照现场情况设置，如表2所示。

表2 焊接顺序

单面连续焊先焊接中间角钢，再依次焊接两侧角钢。间断焊采用满足船级社标准的每段焊缝75.00 mm、间隔175.00 mm、包角焊300.00 mm的形式，每根角钢与底板的角焊缝分为23段，两侧交错，由中间向两端逐段焊接。对单面连续焊和间断焊的每段焊缝进行编号，如图4所示。

图4 焊缝编号

轻围壁结构采用三点约束法模拟结构在自由状态下焊接，同时在角钢正下方设置z方向的夹持。焊接结束，通过设置clamp_release_xyz模拟构件在刚性平台上进行应力释放，如图5所示。

图5 轻围壁结构约束条件示例

2 结果分析

整个计算过程分为焊接过程和释放过程，2种焊接方式每根角钢焊后及应力释放后的变形量云图如图6和图7所示。

图6 单面连续焊与间断焊焊后变形对比

图7 单面连续焊与间断焊应力释放后变形对比

对比云图可看出：单面连续焊与间断焊对结构整体的焊接变形趋势影响相近。角钢①焊后，在底板受热变形的作用下整体有些上移，同时角钢两侧底板的A、B边缘有些上翘，C、D边缘出现中拱趋势，底板中间区域几乎没有变形。角钢②焊后，底板的主要变形集中在角钢②周围，底板的C边缘整体上翘。角钢③焊后，底板的变形向角钢③周围集中，D边缘整体上翘，但间断焊的D边两端变形量比中间区域更大，而单面连续焊的D边由B端向A端变形量逐渐增加。这主要是由于间断焊采用由中间向两端逐段焊接，而单面连续焊则是从B端向A端连续焊接，因此在焊缝附近区域的变形趋势有所差别。

对于焊后应力释放，对比云图可看出：结构底板的C、D边缘上翘，中间角钢周围的底板几乎没有变形。这主要是由于在应力释放过程中，结构内部的应力逐渐向自由端传递，同时该区域没有其他结构，刚度较小，从而导致底板的边缘变形量较大。

为更精确地对比单面连续焊与间断焊的变形趋势和变形量，在焊后的底板上采集6条线上共50个测量点的变形数据进行具体分析，其中：L1～L4的测量点分布于底板的4个边缘上，L5与L6的测量点分布于2根角钢中间区域的底板上。测量点的具体情况如图8所示。

图8 底板上的测量点分布示例

从变形趋势方面看，单面连续焊与间断焊对结构的影响基本一致。L1与L3表现整体上翘的形式，L3的上翘高度大于L1。这主要是由于L3的自由端面积大于L1，受到的刚性约束较小。L2与L4表现两端翘起、中间下塌的形式。这是由于在L2与L4上只有部分区域受到焊接热源的作用，中间区域受到角钢结构约束的影响，越到中间位置受到的约束越大，对应力产生抵消作用。L5与L6变形较小，均在2.50 mm以下，2根角钢之间的底板呈现轻微的拱起。

2种焊接方式变形值对比如图9所示。单面连续焊与间断焊在底板横向边界(L1与L3)上的变形量相差较大，单面连续焊大于间断焊。这主要是由于单面连续焊在整条焊缝轨迹上进行连续施焊，焊接热输入对结构的作用大，而非对称施焊进一步增大底板的焊接变形。在底板纵向边界(L2与L4)上，单面连续焊的变形量略大于间断焊。这是由于单面连续焊在整体的热输入方面大于间断焊，但在角钢两端两者均采用相同长度的包角焊，在纵向边界上直接受到热源作用的区域小。在底板中间区域(L5与L6)，单面连续焊与间断焊的变形量均小于2.50 mm，且两者相近。L5与L6不仅受到两边角钢的刚性约束作用，而且由于温度在底板上随着与焊缝的距离越远下降越快，受到热源的作用越小，因此呈现变形量小的结果。

图9 单面连续焊与间断焊变形值对比

3 结 论

通过基于固有应变理论的软件模拟计算轻围壁结构的单面连续焊与间断焊的变形情况，结论如下：

(1)应用软件模拟计算轻围壁结构的焊接变形，得到的结果为：轻围壁结构出现横向边界上翘，纵向边界两端翘起、中间下塌，角钢之间的底板轻微中拱。这与现场实际的焊接情况相符，说明固有应变法可准确计算大型结构的焊接变形情况。

(2)单面连续焊与间断焊在焊接变形趋势方面基本一致，说明结构的焊接变形趋势主要与结构的形式、尺寸和焊缝分布有关。

(3)从焊接变形数据方面看，单面连续焊的数值大于间断焊，其中：自由端L1的单面连续焊平均值为9.49 mm，间断焊平均值为5.36 mm；自由端L3的单面连续焊平均值为13.66 mm，间断焊平均值为5.37 mm。这说明对焊接变形的控制，间断焊优于单面连续焊。