船體結構腐蝕凹坑焊補修復技術研究

劉 勇，豐少偉，張振海，夏江敏

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

船體結構腐蝕凹坑焊補修復技術研究

劉 勇，豐少偉，張振海，夏江敏

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

針對船體結構腐蝕凹坑修復問題，利用熱-力耦合彈塑性數值計算技術，研究了焊補修復方法，對較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑多道焊接過程進行模擬計算，掌握殼體凹坑修復過程中溫度場和應力場分布規律，得到最佳工藝參數，并利用試驗進行驗證。結果表明，采用數值計算方法可較準確預測焊接的溫度場和變形以及厚板結構的殘余應力，為工藝參數的制定提供重要依據。

船體結構；腐蝕；凹坑；修復；焊接

0 引 言

船體結構在海水等介質的腐蝕作用下容易產生凹坑，影響結構強度[1]。對于較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑，目前國內缺乏修理技術文件和標準，而整體更換船體結構牽連工程較大，時間長，費效比低。采用焊補修復方法，可快速完成缺陷修復工作，牽連工程小，費效比高，但受材料老化、施工環境有限等因素限制，修復過程中殘余應力過大，將產生裂紋等新缺陷。

國內外相關研究人員對腐蝕凹坑修復開展了大量研究，提出了一些分析方法，日本的上田幸雄等[2]以有限元法為基礎，分析了厚板腐蝕凹坑焊接修復后的殘余應力；WEN S W 等[3]利用 Abaqus 軟件分析了厚板凹坑焊接過程。前期相關人員在研究過程中，主要考慮凹坑的深度，對凹坑面積分析較小。本文針對較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑焊接修復問題，采用雙橢球三維熱源模型和熱彈塑性材料模式[4]，對較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑多道焊接過程進行模擬計算，并進行試驗分析，驗證計算結果的有效性。

1 缺陷物理模型

根據我國船體結構使用的主要材料和尺寸結構，取鋼板厚度為 30 mm，凹坑深度為 20 mm，凹坑面積為 200 mm× 200 mm，凹坑形狀為方形，如圖 1 所示。腐蝕凹坑深度已達到板厚度的 2/3，腐蝕面積遠超出現有相關修復標準要求。

2 計算數學模型

2.1 焊接溫度場計算模型

對于三維焊接熱傳導模型，傳導方程為：

式中：t 為時間；λ 為材料的導熱系數；T 為時間；ρ為單位體積的質量密度；c 為材料的比熱容；Q 為焊接單位體積的熱生成率。

對于熔化極氣體保護電弧焊、高能束流焊和厚板開坡口焊接，采用 Goldak 提出的雙橢球三維熱源模型更能真實體現這些焊接的熱過程。前半部分的橢球熱源表達式為：

后半部分的橢球熱源表達式為：

式中： qf和 qr為焊接熔池內前后單位體積的焊接熱流率；Q = ηUI 為輸入的能量；a 為焊接熔寬；b 為焊接熔深；cf和 cr為指沿焊接方向熱源前后距離。ff和 fr為熱流密度分布系數，滿足 ff+ fr= 2。

2.2 焊接應力計算模型

船體結構腐蝕凹坑修復的關鍵是掌握焊接熱、彈塑性應力應變關系。當材料處于彈性或塑性狀態時，應力和應變關系一般為

式中： D 為彈塑性矩陣；C 為與溫度有關的量。在彈性區

式中：α 為線性膨脹系數；T 為溫度。在塑性區，設材料屈服條件為：

式中：f 為屈服函數；f0為與溫度和塑性應變有關的屈服應力的函數。應變增量 {dε}p一般為：

當 ξ ＞ 0 時，為加載過程；當 ξ = 0 時，為中性過程；當 ξ ＜ 0 時，為卸載過程。

根據有限元原理，可以得到平衡方程：

式中：K 為整體剛度矩陣；dF 為整體載荷向量；dδ 為整體位移向量。利用靜力學原理，得到

式中 dRe為單元等效節點應變增量。

2.3 邊界條件

在溫度場分析過程中，實際計算中需要考慮對流和輻射的綜合影響，在焊接過程中，熔池附近輻射放熱占主導；而遠離焊接熔池對流散熱是熱流損失的主要方式。采用整體焊接對流散熱系數。取初始溫度為預熱溫度，不考慮熔化潛熱的影響。

在應力分析過程中，邊界條件由根據實驗條件確定，通過采用施加對稱位移約束方式，來實現添加邊界條件。

2.4 材料參數

圖2 是母材和焊縫金屬材料性能參數與溫度的對應關系。材料密度為 7 850 kg/m3，泊松比為 0.3。

3 數值計算分析

3.1 計算原理

熱、彈塑性有限元分析的求解過程為：首先把構件劃分成有限個單元，然后逐步加上溫度增量。每次溫度增量加載后，由式（10）可求得單元位移增量dδ。每個單元內的應變增量 dεe和單元位移增量 dδe的關系為：

由本構關系可進一步得到每個單元的應力增量dσe，從而得到整個焊接過程中動態應力應變的變化過程和最終的殘余應力和變形的狀態。在每個增量步開始時將幾何形狀更新，在新的拉格朗日坐標下分析溫度場方程。采用非線性方程迭代解法求解熱傳導方程的等效溫度場遞推關系式。收斂后，在同一增量步中，更新溫度值，評價材料力學性質和熱應變，迭代求解力平衡方程，收斂后，進行下一增量步的分析直至所需的增量步結束。

3.2 參數選取

母材選取國產低碳調質高強鋼[5]，電流 130 ～ 135 A，焊接能量控制在 10 ～ 15 kJ/cm；中間 4 至 6 層采用 ? 4 mm焊條，電流 165 ～ 170 A，焊接能量控制在 15 ～ 18 kJ/cm；蓋面采用 ? 3.2 mm 焊條，退火焊道，以防止蓋面層淬硬組織。

3.3 計算模型及計算結果

針對圖 1 所示缺陷，建立如圖 3 所示的焊接結構1/4 計算模型，在凹坑附近的單元結構單元總數 19 320個，計算時間為 49 h。其中 A-B 路徑方向為軋向，C-D為垂直軋向方向。1，2 和 3 點分別位于間隔 2 個焊道的焊縫金屬上，沿 C-D 路徑排列。

焊接殘余變形如圖 4 所示，焊接完成后的最大變形為 1.7 mm，變形值以腐蝕凹坑中心為基準，基本按照橢圓面的方式大小分布，整體焊接變形小。

焊接過程中的焊接溫度場和熔池形態的分布如圖 5～圖 7 所示。由圖 5 可知，熔池溫度附近溫度達到 2 300 °C。

在焊縫表面以橢圓形等溫線，拖長尾分布[6]。

由圖 6 和圖 7 可看出，在堆焊后殘余應力分布在腐蝕凹坑及其周圍的較小區域內，局部區域的殘余應力達到了母材的屈服強度。距離凹坑邊緣處有一定的距離后殘余應力的值變得很小。在凹坑長邊處附近，沿軋向方向的殘余應力分布，由焊縫到母材從拉應力變為壓應力，而垂直軋向方向殘余應力基本上都是拉應力；在凹坑短邊附近，沿軋向方向的殘余應力基本為拉應力，而垂直軋向方向的殘余應力由焊縫到母材從拉應力變為壓應力。

位置 1 和位置 2 等效焊接應力-時間歷程曲線如圖 8所示。由圖可知，隨著焊縫金屬的不斷填入，焊縫沿軋向和垂直軋向的應力相繼產生，1 點位置要比 2 點早些產生，因焊接位置 1 點時的焊道時，2 點位置處的焊道還未出現。焊接熱應力時間歷程過程的總體趨勢一致，最終達到平衡狀態，即常溫下的殘余應力狀態[7]。

3.4 計算結果分析

綜合分析數值計算結果發現：使用手工電弧焊方法堆焊腐蝕凹坑的焊接殘余變形較小；焊接熱循環曲線表明，堆焊過程中，先焊焊道受到后焊焊道的熱作用。焊接達到準穩態時，不同焊道的熱循環曲線形狀基本相似；焊接殘余應力較大值分布在腐蝕凹坑及附近母材的較小區域內，母材和焊縫熔合的凹坑邊緣局部位置殘余應力達到母材的屈服強度水平。在焊縫金屬內的殘余應力均為拉應力，且分布均勻；在腐蝕凹坑的附近區域由殘余壓應力的存在。建議采用后熱處理，降低殘余應力的峰值。

4 試驗分析

4.1 試驗方案

試驗鋼板為 30 mm 連鑄 921A 鋼，用碳弧氣刨在鋼板中間刨出如圖 1 所示的坑，打磨修整后，采用CW66J 焊條補焊。焊道與鋼板軋向平行。多層多道焊接。焊后進行無損檢測檢查內部缺陷，滲透無損檢測檢驗表面裂紋。焊縫采用退火焊道布置，表面打磨平整后，沿熔合線進行表面焊接殘余應力測試。

4.2 缺陷修補試驗

鋼板模擬缺陷補焊連續焊接，采用短弧、小擺動、多層多道焊，每一層焊道交替改變施焊方向，焊接共持續了 20 h，整個補焊過程盡量采用小規范焊接，其中 ? 3.2 mm 焊條采用 130～135 A 的電流，焊接能量控制在 10.5～14.8 kJ/cm，? 4.0 mm 焊條采用 165～170 A 的電流，焊接線能量控制在 15.4～ 18.2 kJ/cm。

4.3 修后檢驗

補焊完成后，試板整體未發生明顯變形。X 射線探傷前，將焊接區打磨至與鋼板平齊。X 射線檢測表明，在熔合線附近有一近 ? 2 mm 氣孔，評片結果為I級。同時對堆焊層表面進行滲透檢查，未發現表面裂紋。

將焊縫磨平后標出熔合線，在沿熔合線邊緣 5 mm的鋼板一側和焊縫一側分別進行殘余應力測試，發現鋼板一側大部分為拉應力，在堆焊區四邊的中心部位殘余應力最大，達 620 MPa；焊縫一側全部為拉應力，應力大小則無明顯規律，最大值位于拐角處，為460 MPa[8]。

5 結 語

1）利用數值計算方法可較準確模擬較大面積和深度缺陷厚鋼板缺陷焊補過程修復過程，并優化施工工藝參數。

2）采用短弧、小擺動、多層多道焊補方式，有效控制缺陷結構焊補后的殘余應力，模擬缺陷補焊試驗結果來看，對于 921A 鋼板存在的缺陷，采用上述方法修補后，接頭各向強度能夠滿足技術指標要求。

[1]秦廣沖. 腐蝕坑對鋼材應力集中系數及疲勞損傷影響研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2014.

[2]王強. 厚板焊接溫度場與殘余應力場有限元分析[D]. 武漢: 湖北工業大學, 2015: 5–7.

[3]龐藝, 雷永平, 林健. 厚板對接殘余應力的三維有限元模擬與驗證[J]. 熱加工工藝, 2014, 11: 10–13.

[4]李培麟, 陸皓. 雙橢球熱源參數的敏感性分析及預測[J]. 焊接學報, 2011, 32(11): 13–19.

[5]于兆斌. 921A船板鋼動態斷裂力學性能研究[J]. 哈爾濱工程大學, 2015: 1–12.

[6]汪建華. 焊接殘余應力形成機制與消除原理若干的問題討論[J]. 焊接學報, 2002, 23(3): 75–79.

[7]孫志明. 中厚板焊接有限元數值模擬及其參數優化[D]. 北京：北京交通大學, 2011.

[8]魏海濱. 船體結構焊接殘余應力消除裝置設計研究[J]. 中國水運月刊, 2014, 14(12): 21–22.

Research on welding repair technology of corrosion pits in hull structure

LIU Yong, FENG Shao-wei, ZHANG Zhen-hai, XIA Jiang-min
(Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to solve the problem of pits repairing in hull structure, the welding-repair method is studied by using the thermo-mechanical numerical simulation. The multi-channel welding process of thick shells with large area and deep groove is simulated. The distribution rules of temperature field and stress field in the process of repairing the pits are obtained, and the optimum process parameters are obtained and validated by experiments. The results show that the temperature field and deformation of the welded joint and the residual stress of the slab structure can be accurately predicted by the numerical method, which provides important basis for the formulation of process parameters.

hull structure；corrosion；pits；repair；welding

TG111.8

A

1672–7619(2017)05–0022–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.005

2016–11–23；

2017–01–09

國家自然科學基金資助資助項目(51579242)；大學科研資助項目(425517k143)

劉勇(1963–)，男，博士，教授，研究方向為工程力學。