超大型集裝箱船用超高強(qiáng)度鋼EH47焊接殘余應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)研究

周宏，蔣志勇，劉建峰，鄭昕，胡小才，朱玉龍

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超大型集裝箱船用超高強(qiáng)度鋼EH47焊接殘余應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)研究

周宏1，蔣志勇1，劉建峰2，鄭昕2，胡小才2，朱玉龍2

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137）

超高強(qiáng)度鋼EH47廣泛應(yīng)用于超大型集裝箱船艙口圍板等區(qū)域結(jié)構(gòu)中，建造過程中常常伴隨著較大的焊接殘余應(yīng)力，直接影響到船體結(jié)構(gòu)的安全及使用壽命。論文基于有限元分析軟件ANSYS，對(duì)平板對(duì)接焊進(jìn)行模擬，得到焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，并采用盲孔法對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量。結(jié)果表明:殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達(dá)到焊縫中心附近時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值。隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫中心，拉應(yīng)力迅速減小，達(dá)到一定距離時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并在距離焊趾2.5 cm處達(dá)到壓應(yīng)力最大值，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，同時(shí)焊后熱處理能有效降低有損結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的焊接殘余應(yīng)力。

集裝箱船；EH47鋼；焊接；殘余應(yīng)力

0 引言

近年來，隨著集裝箱船建造的規(guī)模越來越大，為得到足夠的船體縱向強(qiáng)度，越來越厚的高強(qiáng)度鋼板在大型集裝箱船的上甲板區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用。作為工業(yè)革新的最新成果，屈服強(qiáng)度達(dá)到460 MPa的EH47級(jí)超高強(qiáng)度鋼被引入使用在集裝箱船的上甲板區(qū)域結(jié)構(gòu)，特別是艙口圍板結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低使用鋼板厚度，減輕船舶的空船重量，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的目的。探明超高強(qiáng)度鋼EH47的焊接殘余應(yīng)力規(guī)律，對(duì)于評(píng)定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定出合理的焊接工藝提供可靠的理論依據(jù)。

1 平板對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)

1.1 EH47鋼可焊性分析

碳含量是影響低合金鋼裂紋敏感性的最重要因素。按照國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）提出的Ceq計(jì)算公式[1]及日本ITO提出的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm公式[2]，根據(jù)70 mm厚的EH47化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，得Ceq= 0.43%和Pcm=0.18%。

日本焊接協(xié)會(huì)規(guī)定Pcm≤0.20%作為評(píng)定高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋敏感性可焊接性的指標(biāo)之一，而EH47鋼的Pcm為0.18%，冷裂紋敏感性比較低不易產(chǎn)生裂紋。從格瑞維勒Graville焊接性評(píng)價(jià)圖[3]可見C含量0.06%，Ceq為0.43%處于區(qū)域I易焊接區(qū)，表明EH47鋼的可焊接性比較好。

焊接冷裂紋敏感性跟拘束度和擴(kuò)散氫含量也有密切關(guān)系[4]。不同厚度的板，其拘束度也不同。隨著板厚度的增加，拘束度會(huì)有所增加，焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性也隨之增加，即產(chǎn)生冷裂紋敏感性增加。當(dāng)熱輸入過高時(shí)，熱影響區(qū)的晶粒粗化，塑性降低從而增加裂紋產(chǎn)生的可能性；當(dāng)熱輸入過小時(shí)，焊縫區(qū)除了會(huì)出現(xiàn)未融合等缺陷外還容易出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，這也會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

為了防止EH47焊后冷裂紋的出現(xiàn)，可通過預(yù)熱來提高鋼板的可焊接性。根據(jù)預(yù)熱溫度T0/℃的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際，EH47鋼焊前預(yù)熱溫度確定為80℃。

1.2 焊接實(shí)驗(yàn)方案

本研究選用400 mm*200 mm*70 mm規(guī)格的EH47厚板，拼成兩幅試板，如圖1所示。焊前預(yù)熱80℃，無焊后熱處理的試板標(biāo)記為1號(hào)板；焊前預(yù)熱80℃，焊后熱處理500℃三小時(shí)的試板標(biāo)記為2號(hào)板，采用埋弧自動(dòng)焊焊（SAW），焊接工藝參數(shù)見表1所示。焊接坡口均采用X型，坡口角度為42°，焊道布置為共28道，16層，如圖2所示。焊絲型號(hào)為Y-CMS（Φ4.8 mm），藥劑型號(hào)為NB-55。焊接順序?yàn)閺木幪?hào)1到28道焊縫依次燒焊。

焊前采用加熱板預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80℃，如圖3所示。2號(hào)試板焊接完成后，將加熱板連同保溫棉一起覆蓋在試板上，調(diào)溫至500℃持續(xù)三小時(shí)，如圖4所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)板材Fig.1 The experimental plate

圖2 焊道布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding Parameter of steel EH47

圖3 焊前預(yù)熱處理Fig.3 Preheat before welding

圖4 2號(hào)試件焊后熱處理Fig.4 Heat treatment after welding of No.2 plate

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

1.3.1 試驗(yàn)結(jié)果與討論

應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示，1號(hào)試板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。

從圖6（a）可見，1號(hào)試板沿焊縫橫向方向的縱向殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近為正值表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達(dá)到焊縫中心點(diǎn)時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值214MPa。縱向應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)為負(fù)值表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在遠(yuǎn)離焊縫時(shí)拉應(yīng)力迅速減小，當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力并在距離焊趾2.5 cm處達(dá)到壓應(yīng)力最大值，然后隨著繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫，壓應(yīng)力逐漸減小。

圖5 應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置Fig.5 The position stress test

圖6 1號(hào)試板焊接應(yīng)力分布Fig.6 The welding stress distribution of No.1 plate

原因在于焊縫在填充過程中，焊縫中心處于熔池中心位置，熱輸入過于集中，溫度最高，使得焊縫中心材料發(fā)生最大限度的膨脹，但在冷卻過程中收縮又受到限制，所以使得發(fā)生最大膨脹的中心位置出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力。由于溫度過高，使得靠近焊縫區(qū)的母材屈服極限下降，熱應(yīng)力超出母材屈服極限，使得母材局部發(fā)生壓縮變形，結(jié)果導(dǎo)致在遠(yuǎn)離焊縫中心大約4 cm處的母材產(chǎn)生了最大壓應(yīng)力。所以才會(huì)出現(xiàn)在焊縫中心處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊趾2.5 cm處產(chǎn)生最大壓應(yīng)力的現(xiàn)象。

1號(hào)試板沿焊縫橫向方向的橫向殘余應(yīng)力σx的分布趨勢(shì)和σz相似，但在焊縫區(qū)的數(shù)值明顯小于σz的值。由于熱源的縱向移動(dòng)和坡口相對(duì)于狹窄，使得填充的焊材更傾向于沿焊縫縱向發(fā)生膨脹變形，冷卻收縮受阻的時(shí)候縱向拉應(yīng)力肯定更大。

從圖6（b）可見，1號(hào)試板沿焊縫縱向方向的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力均處于平穩(wěn)狀態(tài)，縱向應(yīng)力大約60 MPa，橫向應(yīng)力大約28 MPa。原因在于所測(cè)點(diǎn)距離起弧和熄弧位置相對(duì)較遠(yuǎn)，電流和電壓比較穩(wěn)定，熱輸入及焊接速度穩(wěn)定，故應(yīng)力場(chǎng)分布也較穩(wěn)定。

2號(hào)試板與1號(hào)試板的焊接殘余應(yīng)力分布比較如圖7所示。

從圖7可見，2號(hào)試板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律與1號(hào)試板基本一致，但應(yīng)力數(shù)值總體有所下降。原因在于焊后熱處理階段，試板溫度不斷升高，材料屈服極限隨著溫度的升高而降低，同時(shí)焊接殘余應(yīng)力會(huì)隨著材料屈服極限的降低而降低，且伴隨著蠕變現(xiàn)象（高溫松弛）殘余應(yīng)力降低。

圖7 2號(hào)試板與1號(hào)試板焊接殘余應(yīng)力分布對(duì)比圖Fig.7 The comparison chart of the welding residual stress distribution of two plates

2 焊接數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算幾何模型

模型仍采用400 mm×400 mm×70 m的鋼板焊接而成，坡口角度為42°。有限元模型單元數(shù)62 482個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)24 960個(gè)，有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

2.2 材料高溫物理性能參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算過程中所需要的材料物理性能隨溫度變化而變化，如表2所示。

表2 EH47鋼的熱物理性能參數(shù)Tab.2 Thermal physical properties of EH47 steel

2.3 模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)點(diǎn)分布，按圖9所示路徑進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，A-A路徑是垂直平分焊縫的檢測(cè)線，B-B路徑為焊縫下5 mm處平行焊縫的檢測(cè)線。

圖10為1號(hào)板材焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

圖9 應(yīng)力取點(diǎn)位置圖Fig.9 The diagram of stress point position

圖10 1號(hào)板材試驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)值比較Fig.10 The comparison of test results and numerical of No.1 plate

從圖10（a）可見，實(shí)驗(yàn)數(shù)值σx曲線上所測(cè)的9個(gè)點(diǎn)，從左到右分別對(duì)應(yīng)的是1-9號(hào)應(yīng)變片所測(cè)的數(shù)值，處在焊縫中心的5號(hào)點(diǎn)正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個(gè)位置模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是完全吻合的，4號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號(hào)點(diǎn)三者組成的焊縫區(qū)域的σx數(shù)值，模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)值基本吻合。

遠(yuǎn)離焊縫區(qū)1-3號(hào)點(diǎn)和7-9號(hào)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值和模擬數(shù)值差別較大，實(shí)驗(yàn)數(shù)值為負(fù)值，模擬數(shù)值除7號(hào)點(diǎn)外均為正值。原因在于鋼板材質(zhì)的不均勻性，使得局部壓應(yīng)力比較大，然后隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，壓應(yīng)力越來越小，且數(shù)值模型中焊道和坡口簡(jiǎn)化，網(wǎng)格劃分不夠精密。

從圖10（b）可見，實(shí)驗(yàn)數(shù)值σz曲線上所測(cè)的9個(gè)點(diǎn)，從左到右分別對(duì)應(yīng)的是1-9號(hào)應(yīng)變片所測(cè)的數(shù)值，處在焊縫中心的5號(hào)點(diǎn)正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個(gè)位置模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本上是完全吻合的，4號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號(hào)點(diǎn)三者組成的焊縫區(qū)域的σz數(shù)值，模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)值基本吻合。其它6個(gè)點(diǎn)位置的應(yīng)力數(shù)值雖然相差一點(diǎn)但趨勢(shì)基本相同。

從圖10（c）可見，沿焊縫中間30 cm區(qū)域內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力σz處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際所測(cè)數(shù)值和模型的趨勢(shì)比較相符，數(shù)值大小上有所差異。實(shí)際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測(cè)點(diǎn)比較遠(yuǎn)，故實(shí)驗(yàn)所測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值曲線兩端沒有下降的趨勢(shì)。

圖11為2號(hào)板材焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

從圖11（a）可見，在靠近焊縫區(qū)域附近即4-6號(hào)應(yīng)力點(diǎn)為正值拉應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)所測(cè)點(diǎn)和模型數(shù)據(jù)曲線相靠近。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的點(diǎn)為負(fù)值壓應(yīng)力，和模型數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)相符合。模型數(shù)據(jù)曲線在最高點(diǎn)處有兩個(gè)峰值，原因在于焊縫在蓋面處是分兩道蓋的，熱源中心位置有兩個(gè)，在兩個(gè)熱源相互作用情況下出現(xiàn)了兩個(gè)峰值的現(xiàn)象。模型曲線應(yīng)力存在一個(gè)最低點(diǎn)，大約在-38 MPa，為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力對(duì)構(gòu)件來說是好的，能增強(qiáng)局部的拉伸極限強(qiáng)度。

從圖11（b）可見，實(shí)驗(yàn)數(shù)值σz曲線上所測(cè)的9個(gè)點(diǎn)，從左到右分別對(duì)應(yīng)的是1-9號(hào)應(yīng)變片所測(cè)的數(shù)值，處在焊縫中心的5號(hào)點(diǎn)正好落在數(shù)值模擬的曲線上，即在這個(gè)位置模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是完全吻合的，4號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)也和模擬數(shù)值曲線很靠近，即4-6號(hào)點(diǎn)三者組成的焊縫區(qū)域的σx數(shù)值，模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)值基本吻合。其它6個(gè)點(diǎn)位置的應(yīng)力數(shù)值雖然相差一點(diǎn)，但趨勢(shì)也基本一樣。

從圖11（c）可見，沿焊縫中間30 cm區(qū)域內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力σz的數(shù)值處于穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際所測(cè)數(shù)值和模型的趨勢(shì)比較相符，數(shù)值大小上有所差異。實(shí)際焊接中又由于引弧板的存在，使得起弧和熄弧位置距離所測(cè)點(diǎn)比較遠(yuǎn)，故實(shí)驗(yàn)所測(cè)應(yīng)力值曲線兩端沒有下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力在靠近焊縫中心及區(qū)域附近處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著逐漸往焊縫中心靠攏，拉應(yīng)力迅速增大，當(dāng)達(dá)到焊縫中心附近時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值。隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫中心，拉應(yīng)力迅速減小，達(dá)到一定距離時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力（負(fù)值），并在距離焊趾2.5 cm處達(dá)到壓應(yīng)力最大值，然后隨著繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，壓應(yīng)力越來越小。整個(gè)焊接殘余應(yīng)力關(guān)于焊縫中心線大致呈對(duì)稱分布。

（2）從平行焊縫方向的焊縫殘余應(yīng)力在起弧和熄弧位置處數(shù)值很低，隨著遠(yuǎn)離初始位置，殘余應(yīng)力數(shù)值迅速達(dá)到最大值，并維持很長(zhǎng)一段距離的平穩(wěn)性，數(shù)值基本保持不變。但當(dāng)接近熄弧位置處殘余應(yīng)力迅速減小到最小值，整個(gè)應(yīng)力分布關(guān)于焊縫中心大致呈對(duì)稱分布。

（3）焊后熱處理對(duì)焊接殘余應(yīng)力有比較好的緩解作用，能降低有損結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最大焊接拉應(yīng)力的數(shù)值，多層多道焊的最終蓋面層的分道形式，對(duì)焊縫處殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有一定的影響。

[1]丁彥闖,兆文忠.提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的剛度協(xié)調(diào)策略與應(yīng)用[J].焊接學(xué)報(bào),2007,28(12):31-34. Ding Yanchuang,Zhao Wenzhong.Stiffness coordination strategy for increasing fatigue life and its application in welded structure[J].Transactions of the China Welding Institution,2007,28(12):31-34.

[2]嚴(yán)鏗,聶潔,于懷東,徐律.超聲沖擊處理對(duì)灰鑄鐵焊接冷裂紋影響[J].焊接學(xué)報(bào),2007,28(11):78-84. Yan keng,Nie jie,Yü huaidong,Xü lü.Influence of ultrasonic peening treatment to gray cast iron welding cold crack[J]. Transactions of the China Welding Institution,2007,28(11):78-84.

[3]Graville B A.Cold cracking in welds in HSLA steels[C].Welding of HSLA(Microalloyed)Structural Steels.Proceedings of an International Conference,(Rome),ASM,Metal Park,OH,1978:85-101.

[4]Chen Guoqing,Zhang Binggang,Lü Tianmin,Feng Jicai.Causes and control of welding cracks in electron-beam-welded superalloy GH4169 joints[J].Nonferrous Met.Soc.China,2013(23):1971-1976.

[5]張?jiān)?彭云,馬成勇,彭杏娜,田志凌.Q890高強(qiáng)鋼焊接淬硬傾向和冷裂紋敏感性[J].焊接學(xué)報(bào),2013,34(6):81-84 Zhang Yuanjie,Peng Yun,Ma Chengyong,Peng Xinna,et al.Harden quenching tendency and cold cracking susceptibility of Q890 steel during welding[J].Transactions of the China Welding Institution,2013,34(6):81-84.

Research on Ultra Large Container Ship ultra-high-strength steel EH47 welding residual stress simulation and experiment

ZHOU Hong1,JIANG Zhi-yong1,LIU Jian-feng2,ZHENG Xin2,HU Xiao-cai2,ZHU Yü-long2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China;2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd,Shanghai 200137,China)

EH47 ultra-high-strength steel is widely used in regional structures of ultra large container hatch hoardings,the construction process is often accompanied by high welding residual stress which directly affects the security and life of the hull structure.The thesis based on finite element analysis software ANSYS, simulated for flat butt welding and obtained the size and distribution of welding residual stress,and used blind hole method for the weld area residual stress measurement.The results show that residual stresses near the weld area and the center showed tensile stress,with the gradual approach to the weld center,the tensile stress increases rapidly,when it reaches near the center of the weld,tensile stress reaches a maximum. With moving away from the center of the weld,the tensile stress decreases rapidly,up to a certain distance changes into compressive stress and compressive stress reaches a maximum at a distance of 2.5 centimeter at the weld toe,the simulation results are consistent with the experiment measured values,and heat treatment after welding can effectively reduce detrimental to the structural strength of the welding residual stresses.

container;EH47 ultra-high-strength steel;welding;residual stresse

TG481

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.08.008

1007-7294（2017）08-0993-08

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金（E091002）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（14KJA570001）；高技術(shù)船舶科研專項(xiàng)子專題（15921019518）

周宏（1974-），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail:zjcyzh@163.com；蔣志勇（1956-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail:just_jzy@163.com。