船體大焊縫間隙對接焊橫向收縮變形數(shù)值模擬*

孫 鵬 金 雁 張建交 汪志林 劉 彬

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

船體大焊縫間隙對接焊橫向收縮變形數(shù)值模擬*

孫 鵬 金 雁 張建交 汪志林 劉 彬

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

針對船舶建造合攏過程中出現(xiàn)焊接間隙超差的問題，基于SYSWELD焊接仿真分析軟件，提出了適用于模擬大焊縫間隙超差情況下中厚板多層多道焊產生的變形場的熱-彈-塑性非線性有限元數(shù)值計算方法.通過建立三維有限元模型和采用平均熱循環(huán)曲線取代瞬態(tài)移動熱源對焊縫進行加載的方法，對船體大焊縫間隙對接焊接橫向收縮變形進行了數(shù)值模擬，并通過實際試驗對板材焊接接頭的橫向收縮變形進行了測量，對比發(fā)現(xiàn)，實測變形結果與由數(shù)值模擬得出的橫向收縮變形數(shù)值基本一致，驗證了此數(shù)值模擬方法的準確性和有效性，為實現(xiàn)精度造船提供了理論基礎.

大焊縫間隙；多層多道焊；平均熱循環(huán)曲線；橫向收縮變形；數(shù)值模擬

0 引 言

在船舶制造工業(yè)中，船體的焊接工作占整個船體建造總工作量的40%以上，而且焊接是一個局部高能量熱輸入的過程，不可避免的會產生焊后的板材變形[1].對于在船體合攏及預合攏的施工過程中，經常會出現(xiàn)合攏縫間隙超差的情況，這種情況帶來的焊接變形會對船體建造精度帶來很大程度的影響，同時矯正這些變形會花費大量的時間和人力[2-3]，所以，準確有效地預測板材大焊縫間隙下橫向收縮變形以便于能夠提前采取相應的控制措施具有重要的理論研究意義，同時也是生產實際急需解決的問題.

國內外許多研究人員已經展開了焊縫間隙在16 mm以下焊材焊接變形的研究工作[4]，而對于焊縫間隙超差(16～25 mm)情況下的板材焊接變形鮮有報道.文中采用法國法碼通公司開發(fā)的焊接模擬仿真軟件SYSWELD,提出了適用于模擬大焊縫間隙下中厚板多層多道焊產生的變形場的熱-彈-塑性非線性有限元數(shù)值計算方法，并采用平均熱循環(huán)曲線代替瞬態(tài)移動熱源對焊縫進行加載的方式對板材在大焊縫間隙下焊接橫向收縮變形進行了數(shù)值模擬仿真，同時采用試驗方法對比驗證，通過比較試驗與數(shù)值模擬結果，驗證了此數(shù)值模擬方法的準確性和有效性.

1 試驗方案

在中國造船質量標準中，焊縫間隙在16～25 mm時，需要進行長肉處理，長肉的方式是在焊縫的一側或兩側進行堆焊處理，直至坡口間隙≤16 mm時長肉過程完成，之后將坡口進行氣刨和打磨操作，形成可以正常焊接的坡口形式，然后再用通常的焊接工藝進行焊接.

實驗采用的材料是常用的船舶低合金結構鋼S355J2G3，材料主要的化學成分參數(shù)見表1[5].

表1 S355J2G3的材料化學成分 %

25 mm是允許作長肉處理的最大值，超過25 mm就要作換板處理，因此文中板材的焊縫間隙取25 mm進行焊接試驗就可以覆蓋所有間隙超差的情況.采用FCAW焊接方式，保護氣體為CO2，焊件的尺寸為200 mm×50 mm×20 mm，坡口角度為50°，焊絲采用ER55-G，焊接工藝參數(shù)見表2.襯墊方式為陶瓷襯墊，焊接時的環(huán)境溫度為20 ℃，焊接時長肉至焊縫間隙為10 mm再進行主焊縫的焊接，焊道布置及接頭形式見圖1.

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊道布置及接頭形式

設計了一個簡易的測量裝置，焊接完成焊件冷卻至室溫時，將焊件變形后的輪廓畫在白紙上，采用游標卡尺測量了板材C1上A，B，C3點(見圖1)的橫向收縮變形，圖2所示取樣點A位置的收縮變形，Δμx即為取樣點A處的變形量，依次可以測量出B，C取樣點的收縮變形，取3次試驗測量的平均值作為考察值，經過測量，試驗板材取樣點A，B，C3點的平均橫向收縮變形為0.52，0.54，0.63 mm.

圖2 焊接收縮變形測量裝置

2 有限元模擬計算方法

2.1 有限元模型

由于在焊接過程中，溫度隨時間和空間急劇變化，對于網(wǎng)格劃分的質量及時間步長的設置都會影響模擬的最終結果，并且為了能夠兼顧計算速度和計算精度的矛盾，將焊縫及近縫區(qū)的網(wǎng)格劃分的比較密，控制在了網(wǎng)格大小在1 mm；遠離焊縫區(qū)的網(wǎng)格采用過渡劃分方式.整個網(wǎng)格劃分過程采用八節(jié)點六面體單元以及六節(jié)點五面體單元，劃分后的有限元模型見圖3，模型共有53 550個實體單元，62 222個節(jié)點.

圖3 有限單元模型

2.2 焊接熱源處理方法

對于中厚板多層多道焊焊接，為了避免出現(xiàn)高度非線性以及為了減少計算量和時間常采用簡化熱源模型的方法，利用焊接模擬仿真軟件SYSWELD，首先選取合適的熱源模型進行熱源的校核，再提取出焊縫所有節(jié)點的平均熱循環(huán)曲線來代替瞬態(tài)移動熱源作為熱載荷加載到結構模型中，最后進行整體結構模型的變形計算.

采用雙橢球熱源模型來進行對弧焊各層焊道的模擬，見圖4.

圖4 雙橢球熱源模型

其前、后半橢球的熱流密度分布函數(shù)為

(1)

(2)

式中：af為橢球的前半軸長度；ar為橢球的后半軸長度；b為熔寬；c為熔深；q為熱源密度.

將校核好的焊接熱源加載到4道焊縫中分別是1，9，10，13焊道(見圖1)進行后處理計算，通過觀察提取各自100 s的焊縫組節(jié)點的平均熱循環(huán)曲線，來分別代替長肉層、打底層、填充層和蓋面層的瞬態(tài)移動熱源.其各層焊道的熱循環(huán)曲線見圖5.

圖5 各層焊道的平均熱循環(huán)曲線

2.3 焊縫間隙處理以及計算邊界條件

在實際焊接過程中，熔池里添加的材料與母材雖然不一致但必須是相容的物質，具有相同的熱物理性能參數(shù).考慮到上述原因，SYSWELD在模擬計算過程中，將母材和焊縫金屬的材料性能視為一致，并采用熱-彈-塑性非線性的傳熱方程來描述電弧熱在被焊試件內部的傳導方程，即

(3)

式中：ρ為材料的密度；c為材料的比熱容；θ=θ(x,y,z,t)為在t時刻節(jié)點(x,y,z)處的溫度；λx，λy，λz為材料沿x，y，z方向上的熱傳導系數(shù)；Q為材料內部的熱源密度.

同時利用牛頓法則和波爾茨曼定律分別考慮工件與外部環(huán)境的對流和輻射的邊界條件.SY-SWELD在進行溫度場的計算時，會考慮熔池的熔化潛熱，對于低合金結構鋼而言，液相線溫度是1 505 ℃，固相線溫度是1 440 ℃.

在進行結構場計算時，將溫度場計算的結果作為一種熱載荷的形式導入到力學計算模型中.在利用熱-彈-塑性非線性有限元計算方法中，彈性階段的變形規(guī)律遵從胡克定律，塑性區(qū)內的行為服從塑性流動準則和強化準則；材料的屈服服從Von Mises屈服準則；在極小的時間域內，材料的各種力學性能呈線性變化；在整個計算過程中，材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化而變化[6].在分析應力場時，其邊界條件保證計算模型不發(fā)生剛體移動即可[7].

3 結果比較與分析

3.1 焊接變形云圖

焊接完成冷卻至室溫后，其板材模型的變形云圖見圖6.

圖6 焊接變形云圖

由圖6可知，在中厚板多層多道焊焊接過程中由于焊縫的收縮引起的橫向收縮變形相對于縱向收縮變形以及角變形較大，且對整體變形的影響最大.

3.2 焊接橫向收縮變形計算結果

焊件在焊接后會在焊縫區(qū)域及近縫區(qū)產生一定的殘余應力，在冷卻至室溫的過程中，由于熱脹冷縮的作用將會在焊縫區(qū)以及附近區(qū)域產生拉應力，宏觀上就會形成一定的橫向收縮變形，即垂直于焊縫方向上的橫向收縮位移.本文主要研究船體大焊縫間隙下對接接頭橫向收縮量的變形.

取點A，B，C3個節(jié)點(見圖1)處的橫向收縮量作為研究對象，在各焊接層道焊接完成后的橫向收縮變形量見表3.

表3 各焊接層道的橫向收縮變形量 mm

由表3可知，在焊接長肉階段(1～3道焊縫)，其板材(C1)的橫向收縮量是負方向，這是由于在板材一側進行堆焊發(fā)生的偏移現(xiàn)象；在焊縫4～5處，可以看到A，B，C3點的收縮量變化非常小，這是因為4～5道焊縫為在另一塊母材(C2)進行堆焊，對這3點的橫向收縮變形基本沒有影響，其有微小變化的原因是因為隨著溫度的冷卻，其母材C1的變形隨時間發(fā)生變化引起的；在主焊縫焊接過程(7～10道焊縫)中，可以看到，隨著焊接過程的進行，其橫向收縮變形是逐漸變大的，這與實際過程也是相符的.

3.3 數(shù)值模擬結果與實驗結果比較

根據(jù)上述實驗結果得到的數(shù)據(jù)與由表3中第10道焊縫焊接完成冷卻至室溫后的結果進行比較，得到結果見表4.

表4 模擬結果與實驗結果比較

由表4可知，模擬結果與實驗結果的百分比誤差控制在20%以內，證明此方法是有效的.

4 結 束 語

文中基于熱彈塑性有限元分析理論，通過采用平均熱循環(huán)曲線來代替瞬態(tài)移動熱源加載焊縫的方法對船舶建造過程中大焊縫間隙對接接頭多層多道焊過程進行了數(shù)值模擬，不僅大大減少了求解的時間，而且模擬結果與實驗結果基本一致，證明了此數(shù)值模擬方法的準確性和有效性，可以作為解決船舶合攏工作中出現(xiàn)大間隙情況的方法并為實現(xiàn)精度造船提供了理論基礎.

[1]趙開龍.船體分段焊接變形有限元模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008.

[2]李振江.基于SYSWELD的焊接接頭溫度場和殘余應力場研究[D].北京：北京交通大學,2010.

[3]ZHANG W, ELMER J W, DEBROY T. Modeling and real time mapping of phases during GTA welding of 1005 steel[J]. Materials Science and Engineering,2002,33:320-325.

[4]WANG J C, SHIBAHARA M, ZHANG X D, et al. Investigation on twisting distortion of thin plate stiffened structure under welding[J]. Journal of Material Processing Technology,2012,212:1705-1715.

[5]張旭，瞿海雁.基于SYSWELD的局部模型多層多道焊模擬仿真[J].河北聯(lián)合大學學報(自然科學版)，2015，37(4)：27-33.

[6]鄧德安，童彥剛，周中玉.薄壁低碳鋼管焊接變形的數(shù)值模擬[J].焊接學報，2011，32(2)：81-84.

[7]周一俊，鄧德安，馮可，等.低碳鋼薄板單道堆焊焊接變形的數(shù)值模擬[J].焊接學報，2013，34(12)：101-104.

Numerical Simulation on Big Welding Gap of Hull Butt Welding Transverse Shrinkage Deformation

SUN Peng JIN Yan ZHANG Jianjiao WANG Zhilin LIU Bin

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Aiming at the problem that the welding gap does not satisfy the standard in the process of shipbuilding, a thermal-elastic-plastic nonlinear finite element numerical calculation method is put forward based on the SYSWELD, which is applicable for simulating the deformation field of plate with multi-layer and multi-line welding under the condition of large welding gap. By establishing a three-dimensional finite element model and replacing the transient heat with the average thermal cycle curve to load the weld, numerical simulations are carried out to investigate the effects of big welding gap on the hull butt welding transverse shrinkage deformation. In addition, through the actual test, the transverse deformation is measured. By comparing the measured value with the calculated value, it is found that they are almost the same, which verifies the accuracy and effectiveness of the numerical simulation method, and provides a theoretical basis for the realization of the precision shipbuilding.

big welding gap; multi-layer weld; average thermal cycle curve; transverse shrinkage deformation; numerical simulation

2016-12-13

*湖南省內河液貨船標準船優(yōu)化項目資助(103-6114141281)

U671.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.035

孫鵬(1991—)：男，碩士生，主要研究領域為船舶與海洋物設計與制造