船用大尺度薄板焊接工藝仿真及變形機(jī)理研究

王秋平，許 靜，吳百公，鞠理?xiàng)睿T敏超，孫建志

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引言

船用薄板在建造過程中存在大量焊接結(jié)構(gòu)。在焊接過程中由于焊接處與非焊接處受熱情況不一致，導(dǎo)致薄板在冷卻后存在殘余應(yīng)力，進(jìn)而引起薄板變形。焊接變形和殘余應(yīng)力是由焊接部分在加熱過程中的熱膨脹和收縮引起的塑性收縮產(chǎn)生的，這將大大降低焊接結(jié)構(gòu)的幾何精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低產(chǎn)品可靠性，推遲造船生產(chǎn)時(shí)間[1]薄板內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小、分布趨勢(shì)會(huì)受到很多因素的影響，包括材料的特性、焊接方法、焊接參數(shù)、焊道層數(shù)、焊后熱處理等。不同的焊接方法和焊接工藝產(chǎn)生的溫度場(chǎng)不同，形成的熱變形也不同。焊接溫度場(chǎng)瞬態(tài)變化對(duì)焊件的性能有很大的影響[2]。為了保證較高的生產(chǎn)效率，采用恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚳刂票“宓淖冃沃陵P(guān)重要。

預(yù)測(cè)和估計(jì)焊接殘余應(yīng)力和變形是非常必要的，而解決該問題最有效的方式之一是采用有限元方法計(jì)算模擬焊接行為[3-4]。TCHOUMI等[5]通過研究焊接速度對(duì)薄板變形的影響，發(fā)現(xiàn)焊接速度與熱輸入量直接相關(guān)，適當(dāng)?shù)暮附铀俣扔欣跍p小機(jī)械變形和應(yīng)力。毛遠(yuǎn)[6]在對(duì)高強(qiáng)鋼薄板焊接變形機(jī)制研究的過程中，采用控制變量法，進(jìn)行多組數(shù)值模擬計(jì)算，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)：板的尺寸達(dá)到一定大的時(shí)候，在焊接工藝參數(shù)相同的情況下，板內(nèi)殘余應(yīng)力分布趨于一致。由于大型船用甲板都是尺寸較大的薄板拼接在一起，為了減少計(jì)算量又接近實(shí)際情況，本文薄板尺寸的選擇有3種，分別為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藝對(duì)不同薄板尺寸變形的影響規(guī)律，旨在為船舶制造中大尺度薄板的焊接工藝研究提供參考。

1 研究方案

1.1 熱源選擇與網(wǎng)格劃分

焊接熱源一般有雙橢球熱源模型和高斯熱源模型。為了更接近實(shí)際的焊接工藝，采用雙橢球熱源模型，見圖1。前、后兩橢球內(nèi)的熱流密度分布各不相同，前、后兩部分橢球熱流密度公式定義為[7-8]

a、b、cf、cb—熱源形狀參數(shù).圖1 雙橢球體熱源模型

式中：f1、f2為前后兩部分橢球體的能量分配系數(shù)，且f1+f2=2，一般f1取2/3，f2取4/3；a、b、cf、cb為熱源形狀參數(shù)，相互獨(dú)立；Q為熱輸入功率，Q=ηUI，η為焊接效率，U為焊接電壓，I為焊接電流。

本文主要研究焊接結(jié)束后的殘余應(yīng)力和變形，重點(diǎn)考慮對(duì)象是溫度和應(yīng)力應(yīng)變的瞬態(tài)演變。為了縮短計(jì)算時(shí)間，保證計(jì)算的收斂性，在建模時(shí)做如下假設(shè)：

(1)不考慮焊接過程中的化學(xué)變化，忽略熔池作用。

(2)工件通過與空氣的對(duì)流換熱和熱輻射進(jìn)行散熱。

(3)不考慮母材與焊條材料的不同。

金屬材料的各種物理性能一般都會(huì)隨溫度變化而發(fā)生變化。焊接過程中溫度變化十分劇烈，必須考慮材料屬性的變化，在自定義材料時(shí)給出各屬性隨溫度變化的數(shù)學(xué)變化關(guān)系。薄板材料選用結(jié)構(gòu)鋼，其熱物理性能見表1。

表1 結(jié)構(gòu)鋼熱物理性能參數(shù)

由于焊接過程溫度變化十分劇烈，在材料內(nèi)分布極度不均勻，靠近焊縫的地方在微小的距離就能產(chǎn)生極大的溫度差，因此為了保證計(jì)算效率和計(jì)算精度，采用漸變式的網(wǎng)格劃分方法。在靠近焊縫的區(qū)域選擇細(xì)密的單元網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1 mm；在離焊縫較遠(yuǎn)的位置采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為3 mm，并且網(wǎng)格由板塊邊緣向焊縫的方向逐漸致密，見圖2。在能保證計(jì)算精度的前提下，盡量使模型的網(wǎng)格總數(shù)較少。

圖2 薄板及焊縫網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件設(shè)置

焊接溫度場(chǎng)模擬的邊界條件：環(huán)境溫度、對(duì)流換熱及輻射傳熱。環(huán)境溫度取室溫T0=20 ℃，并假定在焊接過程中不發(fā)生變化。對(duì)流換熱與輻射傳熱按下式計(jì)算：

q=h(Ts-Ta)

式中：q為對(duì)流換熱熱流密度，W/m2；Ts為工件表面溫度，K；Ta為周圍環(huán)境溫度，K；h為對(duì)流換熱與輻射傳熱的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，按下式取值：

2 研究結(jié)果及分析

2.1 不同薄板尺寸的焊接變形機(jī)理

焊接過程中，接頭處有限的部分獲得輸入能量大，這部分和周圍處于熔融狀態(tài)，將接頭兩個(gè)分離的部分連接起來。焊接移動(dòng)熱源作用下，沿著焊縫方向，中心溫度最高。而遠(yuǎn)離熱源處的溫度逐漸降低，對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)等溫線呈橢圓狀分布，見圖3，沿著焊接掃描方向前端溫度高于后端，溫度場(chǎng)的輪廓線軌跡呈現(xiàn)彗星狀，符合雙橢球熱源能量密度的空間分布情況。隨著薄板尺寸增加，熔池中心所能達(dá)到最高溫度略有增加，溫度場(chǎng)分布形狀逐漸趨向細(xì)長(zhǎng)橢圓形。結(jié)合變形情況可知，見圖4，沿著焊接軌跡中心向兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使熔池凝固后產(chǎn)生凸起，特別在焊接開始和結(jié)束的位置，變形情況明顯，而中間部位變形較均勻。在焊接初始階段和結(jié)束時(shí)，溫度場(chǎng)的變化非常劇烈且不均勻，導(dǎo)致形成較大的溫度梯度。但隨著加工的進(jìn)行，焊件會(huì)受到已加工部分的預(yù)熱，溫度變化區(qū)域穩(wěn)定，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)逐漸在焊件上形成，因而產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對(duì)較小。在高溫區(qū)域材料的熱膨脹必然要受到周圍區(qū)域的約束，除了接頭的開始和結(jié)束部分外，大部分接頭的橫截面應(yīng)保持平面，其力學(xué)行為是由對(duì)熱膨脹的強(qiáng)烈縱向約束引起的，而橫向約束非常低，可以假定為是不受約束的。

圖3 不同薄板尺寸表面溫度場(chǎng)分布情況

圖4 不同薄板尺寸表面變形情況

薄板為對(duì)稱分布，沿著截面剖開，觀察溫度場(chǎng)的分布狀態(tài)，見圖5(a)。隨著焊接過程的進(jìn)行，上表面溫度由中心向四周發(fā)散，截面溫度由上向下傳遞，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)位置，受熱應(yīng)力場(chǎng)的影響，都會(huì)引起薄板的瞬時(shí)變形，見圖5(b)。變形程度隨著焊接光源移動(dòng)有所減緩，這是由于下一節(jié)點(diǎn)受已加工段的溫度預(yù)熱影響，使焊接殘余應(yīng)力降低。而靠近薄板邊緣處的變形程度較明顯，推測(cè)是該位置處與空氣接觸，熱導(dǎo)率較快引起的。隨著薄板尺寸變大，其變形情況相比較于前2種薄板尺寸的焊接結(jié)果更加集中，而薄板中心位置處無變形，說明該處的殘余應(yīng)力已得到有效釋放，證明中心部位的焊接質(zhì)量較高。

圖5 不同薄板尺寸縱截面溫度場(chǎng)分布和變形情況

為了進(jìn)一步闡述不同薄板尺寸對(duì)焊接變形的影響機(jī)制，圖6(a)～(c)繪制了沿著焊接方向上的起點(diǎn)、中間和終點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線分布情況。隨著焊接過程的進(jìn)行，前一節(jié)點(diǎn)熔化形成的溫度場(chǎng)會(huì)對(duì)后一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)熱作用，因此后一節(jié)點(diǎn)所能達(dá)到的溫度值要高于前一節(jié)點(diǎn)，即終點(diǎn)>中間>起點(diǎn)。當(dāng)某一位置達(dá)到最高溫度后，要以一定的冷卻速率冷卻[9]。以中間位置為例，3種不同薄板尺寸所能達(dá)到的最高溫度值近乎相同，但薄板尺寸越大，下降至平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的溫度值越小。由于薄板尺寸越大，完成焊接過程所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此能夠維持平穩(wěn)溫度的時(shí)間越長(zhǎng)，使得薄板有足夠的時(shí)間對(duì)產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行釋放，即中間位置的瞬時(shí)殘余應(yīng)力值逐漸降低，沒有變形的產(chǎn)生。而焊縫方向兩端，瞬時(shí)的熱輸入導(dǎo)致溫度急劇升高，在薄板內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，因而殘余應(yīng)力升高明顯，導(dǎo)致大量變形。

圖6 不同薄板尺寸不同位置溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2 不同焊接速度的薄板變形機(jī)理

以尺寸為50 mm×50 mm×5 mm的薄板為研究對(duì)象，采用有限元模擬不同焊接速度條件下表面和縱截面溫度場(chǎng)和變形分布情況。在焊接速度為4 mm/s時(shí)，溫度場(chǎng)中心所能達(dá)到的溫度值最高，但隨著焊接速度的增大，最高溫度值呈下降趨勢(shì)。這可以進(jìn)一步解釋為：焊接速度越慢，停留在某一節(jié)點(diǎn)的單位時(shí)間越長(zhǎng)；該節(jié)點(diǎn)所接受的能量密度越多，熔化量增多，導(dǎo)致熔池中心溫度顯著升高，較高的熱溫度梯度引起焊后內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致較大變形的發(fā)生。然而，當(dāng)焊接速度越快時(shí)，沿縱截面溫度傳導(dǎo)的深度將變淺，導(dǎo)致溫度梯度降低，變形程度減小。因此，在實(shí)際的薄板焊接過程中，要選取合適的焊接速度，既要保證足夠的熱輸入量確保連接性，又要盡量抑制焊后變形。

3 結(jié)論

(1)隨著薄板尺寸增加，溫度場(chǎng)分布形狀逐漸趨向細(xì)長(zhǎng)橢圓形，沿著焊接軌跡中心向兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在焊接開始和結(jié)束的位置變形明顯，而中間部位變形相對(duì)均勻。

(2)薄板尺寸越大，完成焊接所需的時(shí)間越長(zhǎng)，能夠維持平穩(wěn)溫度的時(shí)間增加，使薄板有足夠的時(shí)間釋放熱應(yīng)力。

(3)焊接速度影響節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間輸入能量的多少，焊接速度越低，熔池中心所能達(dá)到溫度值越高，溫度梯度越大，變形程度越明顯。