焊接殘余應(yīng)力對(duì)2 300客位滾裝船船體結(jié)構(gòu)影響

黃 慧，馮 偉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引言

大部分客滾船有著鋼板薄、設(shè)備板厚比之大很多的特點(diǎn)，這對(duì)焊接提出很高的要求。目前對(duì)客滾船因焊接殘余應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)裂縫的研究還不是很多，本文以2 300客位車(chē)線滾裝船營(yíng)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫作為研究對(duì)象，建立全船有限元模型，分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)船體結(jié)構(gòu)的不利影響。

1 焊接殘余應(yīng)力和變形

焊接作為船舶制造業(yè)的重要組成工藝，是運(yùn)用加熱等方式，將構(gòu)件通過(guò)焊絲不可拆除地連接在一起的加工工藝。由于瞬時(shí)高熱量，構(gòu)件在焊接過(guò)程中和焊接后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形，不但可能引起焊縫完全斷裂，還會(huì)使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變低。所以，了解焊接殘余應(yīng)力的作用規(guī)律，懂得焊接殘余應(yīng)力的消除方法對(duì)船舶的設(shè)計(jì)建造有著重要意義。

焊接殘余應(yīng)力和變形是指隨焊接熱過(guò)程和冷卻過(guò)程焊接材料和焊接結(jié)構(gòu)隨體積變化而出現(xiàn)相應(yīng)變化的內(nèi)應(yīng)力和變形。

焊接應(yīng)力一般有以下三種：

(1)縱向殘余應(yīng)力(平行于焊縫方向)。焊縫中部為高的拉伸應(yīng)力，其峰值可以達(dá)到屈服極限，而焊縫兩端引弧和熄弧為下降的壓縮應(yīng)力。

(2)橫向殘余應(yīng)力(垂直焊縫方向)，是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)縱向收縮引起的焊接殘余應(yīng)力以及焊縫及其附近塑性變形區(qū)收縮的不同時(shí)性所引起的殘余應(yīng)力的綜合。

(3)厚度方向的殘余應(yīng)力。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)板厚超過(guò)一定厚度或采用多層焊接時(shí)，由于焊接時(shí)沿厚度方向內(nèi)部比表面冷卻緩慢或經(jīng)過(guò)多次的焊接熱過(guò)程，會(huì)引起厚度方向的殘余應(yīng)力。

焊接變形一般有整體變形和局部変形。整體變形是指整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化時(shí)是由于焊縫在各個(gè)方向收縮所引起的，包括直線變形、彎曲變形、扭曲變形等。局部變形是指結(jié)構(gòu)的某種部分發(fā)生變形，包括角變形和波浪變形。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)船現(xiàn)狀

2 300客位車(chē)線客滾船是一型短途國(guó)際航行，承載旅客、承運(yùn)各類(lèi)車(chē)型的客/車(chē)滾裝船。本船按照2類(lèi)客船設(shè)計(jì)，具有多層連續(xù)甲板，上層建筑豐富的特點(diǎn)，穩(wěn)性和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足無(wú)限航區(qū)的客滾船要求。該船中橫剖面示意圖如圖1所示。從圖1得知，本船一共有10層甲板，車(chē)輛裝在第1、3、5層甲板上，旅客和船員區(qū)域布置在第7、8、9、10層甲板上。第9甲板布置了很多二等艙，不僅在船體兩側(cè)薄薄的外板上開(kāi)了很多窗戶(hù)，還將外板做成槽形來(lái)增加藝術(shù)美感。

2 300客位車(chē)線客滾船一共有四條船：K11/K12和K15/K16，K15/K16是后一批交付運(yùn)營(yíng)的船舶。K16于2015年3月交付運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)1 a后發(fā)現(xiàn)，整船出現(xiàn)了22處裂縫，絕大多數(shù)裂縫均出現(xiàn)在窗戶(hù)上方兩側(cè)且垂直于焊縫方向，其裂紋如圖2所示；其他個(gè)別裂縫出現(xiàn)在窗框與外板肘板趾端之間，其裂紋如圖3所示。K16的這些裂縫在先于K16運(yùn)營(yíng)的同船型都沒(méi)出現(xiàn)過(guò)。

圖1 中橫剖面圖

圖2 實(shí)船窗戶(hù)區(qū)域的裂紋一

圖3 實(shí)船窗戶(hù)區(qū)域的裂紋二

2.2 有限元計(jì)算和結(jié)果分析

出現(xiàn)裂縫的地方位于九甲板上方的外圍壁區(qū)域，區(qū)域的外板上有大量的窗戶(hù)開(kāi)孔，且外板形狀呈槽型，其外形圖如圖4所示。根據(jù)規(guī)范，在計(jì)算、校核船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度時(shí)，上層建筑部分是不計(jì)入考慮的。因此，為了排除船體總縱變形引起窗戶(hù)局部裂紋的可能性，本文建立了全船有限元模型，加載總縱彎矩包絡(luò)線，計(jì)算總縱強(qiáng)度對(duì)窗戶(hù)裂紋區(qū)域的影響。窗戶(hù)裂紋區(qū)域有限元模型如圖5所示。

有限元細(xì)網(wǎng)格計(jì)算如圖6所示，窗戶(hù)裂紋處的有限元計(jì)算如圖7所示。圖6和圖7的計(jì)算結(jié)果表明：最大應(yīng)力值為256 MPa，應(yīng)力最大的地方發(fā)生在窗戶(hù)與窗戶(hù)之間凹陷的邊角處和兩個(gè)窗戶(hù)之間的連接肘板上，并不在實(shí)際發(fā)生裂縫處。窗框上方垂直于焊縫的大開(kāi)口裂縫處的應(yīng)力值約為30 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到撕裂如此大開(kāi)口的程度。因此，通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，不是導(dǎo)致裂紋的原因。

圖4 實(shí)船窗戶(hù)外觀

圖5 窗戶(hù)裂紋區(qū)域有限元細(xì)模

圖6 有限元細(xì)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果

圖7 窗戶(hù)裂紋處的有限元計(jì)算

在排除是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減小而引發(fā)的大開(kāi)口裂縫這個(gè)因素后，通過(guò)船廠調(diào)查、實(shí)船檢查，最終確定K16船的大開(kāi)口裂縫是由焊接殘余應(yīng)力引起的。

該層甲板上的窗框均為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為44 mm×55 mm的鋼條，且是一個(gè)框型整體成品，有著足夠的剛度。所有窗框是船廠將分段合攏后，再直接與6.5 mm的外圍壁板焊接。由于板厚相差懸殊，為了保證焊接質(zhì)量，船廠不得不采用更高熱度的焊接溫度，導(dǎo)致焊弧將焊絲條與母材熔化連接時(shí)，焊區(qū)周?chē)a(chǎn)生了不均勻的溫度場(chǎng)。在焊接過(guò)程中，焊接區(qū)域被急劇加熱并局部融化，焊接區(qū)域材料受熱膨脹。熱膨脹過(guò)程中，由于窗框與外板的板厚差，兩者的膨脹速率不一樣，并且周?chē)鷧^(qū)域溫度相對(duì)較低，所以受到這些制約影響，焊接構(gòu)件的彈性應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而受熱區(qū)域的屈服極限強(qiáng)度會(huì)明顯下降。當(dāng)產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力超過(guò)該屈服極限強(qiáng)度時(shí)，焊接區(qū)形成塑性熱壓縮，冷卻后，比周?chē)鷧^(qū)域相對(duì)縮短，因此焊接區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周?chē)鷧^(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。由于這種原因?qū)е碌暮附託堄鄳?yīng)力主要為橫向殘余應(yīng)力，即應(yīng)力方向垂直于焊縫方向。

另外，由于窗框和窗戶(hù)連接肘板的存在，使得它們之間的外板邊界剛性也很大，導(dǎo)致了焊接過(guò)程中它們周?chē)暮附訕?gòu)件不能自由地收縮，很大程度上抑制了焊接變形，使得該區(qū)域焊后變形小，外板內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)一步加大，因此K16船才會(huì)出現(xiàn)多處圖2所示的大開(kāi)口裂縫。圖3的裂縫是由于外板與外板在焊接過(guò)程中，焊縫質(zhì)量缺陷導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力在此處釋放，形成大開(kāi)口裂縫。

2.3 解決辦法

從焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)看，由于窗戶(hù)與外板的焊接區(qū)域產(chǎn)生了塑性壓縮性形變，從而導(dǎo)致內(nèi)部形成了殘余應(yīng)力，且在窗戶(hù)與外板焊接時(shí)，窗戶(hù)玻璃等已經(jīng)嵌入窗框里，常規(guī)的焊后熱處理、錘擊等方法會(huì)對(duì)窗戶(hù)產(chǎn)生潛在的破壞危險(xiǎn)。因此，焊接時(shí)可以采取使焊縫區(qū)外板產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃苄陨扉L(zhǎng)量來(lái)解決問(wèn)題。

由于是焊接殘余應(yīng)力和變形引起的裂縫和裂紋，因此建議船廠焊接時(shí)不要通過(guò)火工矯正外板變形，將裂縫補(bǔ)焊重合，而是采取將大開(kāi)口裂縫區(qū)域和已產(chǎn)生小裂紋區(qū)域的外板割掉，釋放出焊接殘余應(yīng)力。根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)，可采取將補(bǔ)板增加一點(diǎn)焊接預(yù)伸長(zhǎng)變形余量，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行提前預(yù)熱的方法。修補(bǔ)后的K16船運(yùn)營(yíng)1 a后，此大開(kāi)口裂縫事故沒(méi)有再次發(fā)生。 在造船工藝中，大量用到角焊接和T型接頭，對(duì)于高應(yīng)力區(qū)域還會(huì)要求采用深熔焊或者全焊透。具體的焊接要求和焊接區(qū)域，船級(jí)社規(guī)范有明確的說(shuō)明。焊接時(shí)要特別注意高應(yīng)力區(qū)、特殊節(jié)點(diǎn)或者厚度較厚的板的焊接。船廠可采取適當(dāng)?shù)慕档秃附託堄鄳?yīng)力的措施，如：采用較低熱量的焊接方式；采用合理的焊接順序；減少分段上船臺(tái)后的焊接量；施焊前使焊件有一個(gè)和變形相反的預(yù)變形。

3 結(jié)語(yǔ)

在客滾船的建造過(guò)程中，會(huì)大量用到填角焊形式，船體板厚通常比設(shè)備板厚薄很多，因而會(huì)對(duì)焊接有著更高的要求。焊接時(shí)必須根據(jù)船體構(gòu)件及其建造過(guò)程的特點(diǎn)有針對(duì)性的采取處理措施，如采用相對(duì)低熱量的焊接方法來(lái)避免薄板的相對(duì)焊接變形，或者窗框與外板焊接放在上船臺(tái)之前完成，但在建造過(guò)程中如何因地制宜地采取某些具體步驟和措施還有待進(jìn)一步研究探討。

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