劉鑫，劉錢，劉寶輝，羅雄，陳慶城

廣船國際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

目前，船體結(jié)構(gòu)縱骨是一種長T形接頭結(jié)構(gòu)，為減少焊接時間，提高施工進度，在實際生產(chǎn)過程中往往采用多臺焊機同時焊接。但焊接過程中存在劇烈的局部溫度變化，產(chǎn)生瞬態(tài)熱變形，焊接結(jié)束冷卻至室溫后會導(dǎo)致工件產(chǎn)生塑性殘余變形，在一定程度上會對工件尤其是薄板構(gòu)件的安全性造成影響[1]。同時降低了結(jié)構(gòu)精度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在后道工序無法裝配，使生產(chǎn)成本提高。因此，需要科學(xué)地改變薄板構(gòu)件焊接順序，從而降低焊接變形對工件造成的影響[2]。

多焊機同時焊接，焊接方向是影響焊接變形的重要因素之一，合理控制焊接方向可以有效地控制焊接變形的大小[2]。由于實際工程中焊縫布置較為復(fù)雜，通過試驗的方法來測量焊接變形是比較困難的，但隨著有限元數(shù)值模擬在工業(yè)應(yīng)用中逐漸成熟，可以采用有限元數(shù)值模擬方法來計算不同的焊接方向?qū)附幼冃蔚挠绊慬3]。許多學(xué)者對T形接頭焊接過程進行數(shù)值模擬，并取得了良好的效果[4-6]，但針對高強鋼薄板多熱源深熔焊的研究較少。本文采用ABAQUS軟件對T形接頭采用多焊機在一條焊縫上同時焊接，且其相鄰兩臺焊機焊接方向不同進行有限元分析試驗，通過研究焊接變形的趨勢，分析焊接變形的規(guī)律，優(yōu)化T形接頭焊接變形的控制方案，數(shù)值模擬的結(jié)果可以為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 有限元分析準(zhǔn)備

2.1 焊接材料

試驗材料選用船舶生產(chǎn)常用高強鋼A H36，其熱物理性能參數(shù)見表1[7，8]。角接焊縫底板尺寸為1080m m×300m m×6m m，腹板尺寸為1080mm×100mm×6mm，腹板與底板的裝配角度為90°，焊腳尺寸為4mm，如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

表1 AH36鋼的熱物理性能參數(shù)

2.2 焊接參數(shù)

氣體保護焊采用雙橢球熱源模型計算精度高，因此本次試驗均采用雙橢球熱源模型[9]。共分為3種試驗方案，模擬多臺焊機中的相鄰2臺角焊小車的深熔焊模式，為保證焊接過程的一致性，焊接參數(shù)均保持一致，見表2。

表2 焊接參數(shù)

2.3 焊接方向

為驗證焊接方向?qū)ψ冃蔚挠绊懀?種方案的兩臺焊接小車同時焊接，但焊接方向均不同，焊接時雙熱源均有獨立的焊縫區(qū)，無重復(fù)焊接的區(qū)域。1#為相同方向焊接，2#為相反方向焊接，3#為相對方向焊接。

2.4 網(wǎng)格劃分

在焊接過程中，焊縫及熱影響區(qū)的網(wǎng)格活動劇烈，遠離焊縫的網(wǎng)格活動平緩[10]。為增加有限元分析速率，同時不改變分析精度，焊縫及熱影響區(qū)的網(wǎng)格劃分比較密集，其余區(qū)域采用均勻過渡式網(wǎng)格劃分法，遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格經(jīng)過兩次過渡將網(wǎng)格尺寸增加而數(shù)量降低。有限元分析最小網(wǎng)格尺寸為1m m×1m m×2m m，一次過渡網(wǎng)格尺寸為1m m×2m m×6m m，二次過渡網(wǎng)格尺寸為1m m×6m m×18m m，最大網(wǎng)格尺寸為1mm×18mm×18mm，總網(wǎng)格數(shù)量為32400個，網(wǎng)格類型為8節(jié)點6面體單元，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.5 邊界條件設(shè)置

在焊接有限元分析過程中，為保證數(shù)值模擬的正常運行，選擇腹板頂部作為固定面，此固定面在整個試驗過程中對試驗結(jié)果影響較小，如圖3所示。定義空氣熱對流系數(shù)10，熱輻射率0.8，絕對零度－273.15℃，波爾茲曼常數(shù)5.67×10－8，固相線溫度1450℃，液相線溫度1500℃，熔化潛熱270kJ/kg，試板初始溫度20℃。

圖3 腹板頂部固定位置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接溫度場

焊接溫度場分布云圖如圖4所示，3種方案均記錄焊接時間為20s和50s的溫度場分布，將1500℃以上的溫度定義為熔池。試驗方案采用相同的焊接參數(shù)，熔池最高溫度均為2400～2500℃，熱影響區(qū)的溫度均為1377～1500℃。

圖4 焊接溫度場分布云圖

焊縫截面熔池溫度場分布云圖如圖5所示，試驗?zāi)M角焊小車的深熔焊模式，3種方案均采用相同的焊接參數(shù)，其熔池尺寸均保持一致，以1#方案為例，圖中灰色區(qū)域表示液態(tài)熔池，在焊接過程中焊縫區(qū)的能量集中，整個焊腳截面均被熔透，且熔池深度已熔至接頭根部，底板與腹板均有熔深，但板材并未熔透，溫度場的分布梯度較大，在遠離焊縫的區(qū)域溫度迅速降低。焊縫熔池最高溫度2400～2500℃，在鋼的熔點溫度1500℃與氣化溫度2750℃之間，焊接過程穩(wěn)定進行。

圖5 焊縫熔池截面溫度場分布云圖

為進一步探究試板溫度場的變化情況，3種方案的焊接參數(shù)一致，以1#方案為例，選擇焊接時間在40s后的焊縫截面，在底板厚度方向選擇A1～E1共5個點，寬度方向選擇A2～E2共5個點，其中A1與A2位置相同，位于焊腳截面的中間位置，B1位于焊腳底部中間位置，B1與C1的距離為1mm，C1與D1的距離為2mm，D1與E1的距離為3mm；B2位于焊腳的邊緣位置，B2與C2的距離為3mm，C2與D2的距離為6mm，D2與E2的距離為18mm，如圖6所示。

圖6 溫度場測量點

底板溫度隨時間變化曲線如圖7所示。通過A1或A2曲線可知，約40s時焊接熱源行至測溫點，焊縫溫度升高，在1s內(nèi)溫度驟升至2400～2500℃，液態(tài)熔池形成；焊后熔池溫度急劇下降，在0.5s內(nèi)焊縫溫度降至1500℃左右，此時熔池凝固，溫度曲線下降趨勢減緩，在10s內(nèi)溫度下降至500℃左右，之后焊縫溫度逐漸降至室溫狀態(tài)。B1～E1測溫點的最高溫度分別為2150℃、1800℃、800℃、600℃，B2～E2測溫點的最高溫度分別為1400℃、400℃、350℃、200℃。碳素鋼材料的溫度在200℃以上時，會形成中心壓縮塑性區(qū)，由此可知，在焊接過程中，底板厚度方向6mm，以及在焊縫區(qū)以外、底板寬度方向27mm以內(nèi)的區(qū)域，均會產(chǎn)生中心壓縮塑性區(qū)，當(dāng)板材冷卻至室溫狀態(tài)時，焊接試板整體會產(chǎn)生焊后殘余應(yīng)力變形。

圖7 底板溫度隨時間變化曲線

3.2 焊接變形

（1）橫向收縮變形 焊接橫向收縮變形分布云圖如圖8所示。由圖8可知，3種方案的橫向收縮變形量均比較小，對板材變形的影響小，且最大變形量均集中在焊縫位置。1#～3#方案焊接底板的橫向收縮最大變形量分別為0.19～0.23mm、0.14～0.17mm、0.15～0.18mm，因此橫向收縮變形量可忽略不計。

圖8 橫向收縮變形分布云圖

（2）縱向收縮變形 焊接縱向收縮變形分布云圖如圖9所示。由圖9可知，3種方案的縱向收縮變形量也比較小，最大變形量同樣位于焊縫的位置，1#～3#方案焊接底板縱向收縮最大變形量分別為0.11～0.14mm、0.04～0.09mm、0.03～0.06mm，因此縱向收縮變形量可忽略不計。

圖9 縱向收縮變形分布云圖

（3）焊接角變形 焊接角變形分布云圖如圖10所示。由圖10可知，1#～3#方案焊接最大變形量分別為4.05mm、4.24mm、4.16mm，3種方案的最大變形位置均集中在底板側(cè)邊位置，且變形量較大的紅色區(qū)域分布不均勻。同時，結(jié)合3種方案雙熱源的焊接方向，均是按照從引弧至熄弧底板側(cè)邊焊接變形逐漸增大。

由圖8～圖10可知，對T形接頭焊接變形影響最大的是底板角變形，為進一步研究雙熱源不同焊接方向的底板變形狀態(tài)，需繪制底板角變形特性曲線，其路徑選擇如圖11所示，沿著T形接頭底板邊緣長度方向設(shè)定路徑1。

圖10 焊接角變形分布云圖

圖11 路徑選擇

焊接底板角變形特性曲線如圖12所示。由圖12可知，3種方案的角變形曲線不同，但三者的變形趨勢均是按照從焊接引弧位置至熄弧位置逐漸升高。

圖12 焊接底板角變形特性曲線

1#方案為雙熱源同方向焊接，前一個熱源從焊縫的端頭引弧，在焊接底板側(cè)邊焊縫端頭的引弧位置出現(xiàn)最小的變形量約3.40mm，在焊接熱源前進過程中，焊接變形逐漸升高，在靠近焊接熄弧位置處出現(xiàn)此熱源最大的焊接變形量約3.72mm；后一個熱源從焊縫的中間位置引弧，即后一個熱源的引弧位置為前一個熱源的熄弧位置，引弧點的焊接變形被增加，最小變形位置向后移動，變形量約3.51mm，之后隨著焊接的進行在焊縫另一端頭的熄弧位置出現(xiàn)1#方案的最大變形量約4.05mm。焊縫中間位置的焊接變形量差值約0.21mm，焊接最大變形與最小變形量差值約0.65mm。

2#方案為雙熱源相反方向焊接，兩個熱源的引弧位置均在焊縫的中間，分別向兩端頭行走。在焊接的引弧位置存在兩個熔池，其焊接底板的最小變形量增大，約3.52mm，比1#方案的最小變形量大0.1mm。隨著雙熱源沿著相反方向行走，以焊縫的中間位置為中線，焊接底板呈現(xiàn)出對稱增加的趨勢，在兩端頭處出現(xiàn)最大變形量約4.25mm，焊接最大變形與最小變形量差值約0.73mm。

3#方案為雙熱源相對方向焊接，兩個熱源的引弧位置分別在焊縫的兩端頭，至焊縫中間熄弧，在兩端頭位置出現(xiàn)最小變形量約3.40mm，與1#方案的最小變形量基本相同，變形趨勢與2#方案相反。以焊縫的中間位置為中線，焊接底板呈現(xiàn)從焊縫兩端頭至焊縫中間位置對稱增加，在雙熱源熄弧位置出現(xiàn)的最大變形量約4.15mm，焊接最大變形與最小變形量差值為0.75mm。

4 結(jié)束語

本文開展了針對T形接頭的多焊機在一條焊縫上同時焊接，其相鄰兩臺焊機設(shè)定不同焊接方向的有限元分析試驗。通過分析焊接變形的趨勢，總結(jié)焊接變形的規(guī)律，優(yōu)化T形接頭的焊接變形，得出了以下結(jié)論。

1）焊接時，對T形接頭焊接變形影響最大的是底板厚度方向的角變形，焊接變形遵循從焊接引弧位置至熄弧位置逐漸增加的趨勢。

2）1#方案雙熱源引弧與熄弧均不在同一位置，焊接最小變形量約3.40mm，最大焊接變形量約4.05mm，兩者的差值為0.65mm，在焊縫的中間位置，焊縫收縮變形量差值約0.21mm；2#方案雙熱源在焊縫中間位置同時引弧，最小焊接變形量約3.52mm，熄弧位置的焊接最大變形量約4.25mm，兩者差值約0.73mm；3#方案雙熱源在焊縫中間位置同時熄弧，焊接最小變形量約3.40mm，焊接最大變形量約4.15mm，兩者差值0.75mm。

3）在實際焊接過程中，多臺焊機在一條角焊縫上同時焊接，焊機的布置應(yīng)按照均勻分布方案，多焊機同方向焊接，結(jié)構(gòu)件變形量小、平整度最高。