船板钢大线能量焊接过程有限元模拟

Finite Element Simulation of High Heat Input Welding Process for Ship Plate Steel

摘要: 船板钢的大线能量焊接技术是推动海洋工程发展的关键技术。准确预测不同焊接参数下的温度、应力变化，对焊接工艺的制定和优化有重要的指导意义。本文基于ABAQUS有限元软件，建立了三维有限元焊接模型，对EH36船板钢单丝300 kJ/cm大线能量焊接过程中的温度场和应力场进行了计算。结果表明，随着焊接速度提高，热影响区温度降低，焊缝和热影响区缩小；残余应力的数值随焊接速度变化不大，但分布有明显不同。

Abstract: The high heat input welding technology for ship plate steel is a key technology driving the development of marine engineering. Accurately predicting the temperature and stress changes under different welding parameters is of great guiding significance for the formulation and optimization of welding processes. In this paper, based on the ABAQUS finite element software, a three-dimensional finite element welding model was established to calculate the temperature field and stress field during the single-wire high heat input welding process (300 kJ/cm) of EH36 ship plate steel. The results show that as the welding speed increases, the temperature in the heat-affected zone decreases, and the weld and heat-affected zone shrink. The value of the residual stress does not change much with the welding speed, but the distribution is significantly different.

1. 引言

大线能量焊接技术作为船舶制造领域的关键突破，在船板钢应用中展现出显著优势。大线能量焊接通过单道次完成厚板焊接，例如60 mm钢板采用500k J/cm线能量可单道焊透，而传统方法需30道次，效率提升10倍以上。该技术已应用于大型集装箱船、液化天然气运输船(LNG船)、海上浮式生产储油船(FPSO)等高端船型建造，显著缩短工期并降低人工和材料成本。然而，大线能量焊接同时也会使得焊接过程热影响区的热循环发生变化，造成热影响区在高温区域停留时间过长，冷却缓慢，进而导致热影响区显微组织粗大，降低其力学性能。焊接后的残余应力，也会对接头的性能产生很大影响。因此，了解板材焊接过程中的应力场和温度场分布，对保证焊接质量，优化焊接工艺参数有很大的指导意义。在这方面，有限元模拟法有着成本低、速度快的优势，已经成为解决各种焊接工程问题的有效工具。

李矗东等利用能量守恒定理以及傅里叶定律，建立了大线能量焊接热模拟试件的导热微分方程[1]。杨春牛等利用Visual-Environment有限元软件对30 mm厚EH420船板钢进行三丝埋弧焊接数值模拟研究，系统地分析了热影响区循环曲线以及熔池的熔深和熔宽变化[2]；苗玉刚以SYSWELD软件为计算平台，建立了基于固态相变的三维“热–冶金–机械”耦合的多物理场热弹塑性有限元计算方法，对局部焊接接头结构即DH36高强度船板钢多层多道对接焊产生的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和试验分析[3]；辽宁科技大学[4]的吴志洋对不同厚度的船板钢采用ANSYS软件进行气电立焊温度场有限元模拟，在有限元模拟过程中通过引入潜热以及随温度变化的对流换热系数，使有限元模拟更符合实际焊接过程；肖笛利用ANSYS有限元软件进行大线能量焊接温度场数值模拟，并结合热模拟实验对热影响区的组织性能进行了研究[5]；Jiao Z采用COMSOL Multiphysics软件进行计算模拟，评估了不同t8/5冷却速率对AH32船板钢冲击性能的影响。通过实际焊接试验和冲击性能评价进一步证实了这一理论分析[6]。

大线能量焊接过程的有限元仿真已经有较多的研究，但大部分都是线能量≤ 200 kJ/cm的模拟，200 kJ/cm以上的计算模型相对较少，选用的热源也都为单一双椭球热源或者高斯热源模型。本文以ABAQUS/CAE有限元软件为平台，以EH36船板钢为研究对象，设计了二维高斯面热源 + 三维锥形高斯旋转体热源组成的复合模型，建立了热输入量为300 kJ/cm大线能量焊接的模拟仿真模型，填补了这一空白，对EH36船板钢在焊接过程中的温度、应力变化做出了模拟预报，为船板钢的焊接工艺优化提供了数据参考。

2. 模型基础参数

2.1. 材料属性

模型选用EH36船板钢为焊接材料，其化学成分如表1所示。

Table 1. Chemical composition of EH36 steel

表1. EH36船板钢化学成分

C	Si	Mn	Ni	Al	Ti	O
0.185%	0.004%	1.520%	0.044%	0.025%	0.001%	0.02%

将材料的化学成分导入JMatPro软件，计算得出材料的物理性能，作为模型建立的依据。材料的部分物理性能如表2所示。

Table 2. Physical parameters of EH36 steel

表2. EH36船板钢物理参数

温度/℃	密度/(g/cm^3)	导热系数/(W/m^2*K)	杨氏模量/(GPa)	泊松比	比热/(J/(g*K))
25	7.83764	73.08558	212.21216	0.28887	0.44831
200	7.80408	58.29024	202.92867	0.29565	0.51983
500	7.69795	39.01823	172.30304	0.30778	0.70593
1000	7.55108	29.09759	107.06753	0.35163	0.62551
1500	7.15111	34.63277	3.35512	0.41409	5.29562

2.2. 几何模型和边界条件

模拟件尺寸为100 mm*100 mm*60 mm，考虑到焊缝的对称性，出于提高计算效率考量，采用半模型进行计算，仅考虑外表面散热，焊缝内设为绝热面。

采用ABAQUS软件的建立焊缝的三维有限元模型，网格属性采用八结点热耦合六面体单元，减缩积分(C3D8RT)，模拟钢板焊接过程中钢板的内部传热和对外散热过程。由于焊缝区温度梯度较大，为保证计算的准确性，对焊接接头进行切分并进行精细化网格划分，在远离焊缝的母材部分采用较为粗大的网格划分，以此提高计算效率[7]。

出于计算需求，对焊接过程做出如下加热：材料连续介质且各向同性；焊接过程视为准稳态过程；材料热物理性能随温度的变化而变化；考虑熔化和凝固潜热，忽略汽化潜热；不考虑熔池的动力学行为和冶金反应。在此基础上，进一步对边界条件进行设定，环境温度和焊板初始温度为25℃，焊接速度6 cm/min，焊接线能量为300 kJ/cm。

3. 热源模型

在焊接过程的模拟仿真中，热源模型的选择非常重要。热源模型的准确度和精准度直接影响温度场、应力场分析的准确性。目前较为常用的热源模型是高斯面热源模型，作为一种基于二位高斯分布的函数，高斯面热源模型的特点是能精确模拟表面热输入分布，数学形式简单，计算速度快，内存占用低，很适合大规模或者长时间的焊接模拟。但是其缺点也很明显，无法模拟深度方向的热源变化。因此，本文采用二维高斯面热源+三维锥形高斯旋转体热源组成的复合模型，通过参数耦合提升整体计算精度。

复合热源模型中，高斯面热源某一点$\left(x,y\right)$ 的热流密度$q_1\left(x,y\right)$ 方程如下所示：

$q_1\left(x,y\right)=\frac{a*Q_s}{\pi *r_s^2}*\exp \left(-a*\frac{{\left(x-x_0\right)}^2+{\left(y-y_0\right)}^2}{r_s^2}\right)$

式中，前半部分为热源幅值系数，控制热流密度的整体强度。后半部分为指数衰减项，描述热源从中心向外的空间衰减特性；参数a为热源集中度系数，数值越大能量越集中于中心；$Q_s$ 为热输入功率，由焊接工艺参数计算所得；$r_s$ 为热源作用半径，直接影响热影响区范围；$x_0$ 、$y_0$ 为实时更新的热源中心实时坐标，对应焊接路径位置。

三维锥形高斯旋转体热源中某一点q₂(x,y,z)的热源密度为：

$q_2\left(x,y,z\right)=\frac{6*Q_v*\left[H-b\left(z_0-z\right)\right]}{\pi *r_v^2*H^2*\left(2-b\right)}*\exp \left(-3*\frac{\sqrt[2]{{\left(x-x_0\right)}^2+{\left(y-y_0\right)}^2}}{r_v^2}\right)$

类似的，前半部分体现了二维高斯分布的径向衰减特征，后半部分在二维面热源的基础上引进了z轴方向的线性变化参数b，控制热流沿着深度方向的变化；$r_v$ 为热源作用半径；H为热源有效深度，代表热源在Z轴方向上的作用范围；$x_0$ 、$y_0$ 、$z_0$ 为热源中心实时坐标；$Q_v$ 为体热源输入功率，需满足$Q_v$ 和$Q_s$ 之和等于热源总功率，满足能量守恒定律。

4. 结果分析

4.1. 模拟结果

Figure 1. Comparison of weld shape and parameters between the calculated results and the actual welding results (a) Schematic diagram of welding process simulation; (b) Actual weld profile; (c) Simulated weld profile;(d) Comparison between the actual welding results and the simulation results

图1. 计算结果与实际焊接结果的焊缝形状及参数对比；(a) 焊接过程模拟示意图；(b) 实际焊缝剖面图；(c) 模拟焊缝剖面图；(d) 实际焊接结果与模拟结果对比

在上述条件下，对EH36船板钢大线能量焊接过程进行了有限元模拟计算，通过对比有限元计算结果与实际焊接结果的焊缝熔池参数验证模型的可靠性，计算结果如图1(a)所示。

经JMatPro软件计算，此种化学成分下EH36船板钢的熔点为1515℃，以此温度为融合线与热影响区之间的临界温度。为更好的比对计算结果与实际结果的误差，分别对熔池上表面宽度、厚度方向1/2处熔池宽度和此处的热影响区宽度进行对比。考虑到有限元计算结果为半模型建模，因此如图1(b)所示，熔池的上表面宽度用2a表示，1/2处宽度用2b表示；c代表1/2处热影响区宽度。经过测量，实际焊接过程中，a为18 mm，b为14 mm，c为11 mm；图1(c)为模拟计算结果，其中a为16.3 mm，b为14.8 mm，c为10.7 mm。图1(d)为对比结果，a、b、c三个位置的误差分别为9.4%、5.7%和2.7%，误差均在10%以内，在可接受范围之内，说明模型具备准确性，有一定参考价值。

4.2. 焊接速度对热影响区温度场、应力场的影响

焊接工艺对焊接质量有着非常大的影响[8]，在原有的6 cm/min焊接速度基础上，增加焊接速度至9 cm/min，其他条件不变，以研究焊接速度对焊接过程热影响区位置温度场、应力场的影响。选取焊件中部热影响区相同位置点的热循环曲线来分析焊接温度场[9] [10]。

如图2(a)所示，随着焊接速度的提高，在热源功率不变的情况下焊接线能量降低，热影响区的温度峰值也随之降低。在焊接速度为6 cm/min的情况下，热影响区的最高温度为1390℃。焊接速度为9 cm/min时，同一个参考点更快达到温度峰值，但峰值温度仅为950℃。在较低的焊接速度下，热影响区温度升高，高温停留时间较长，会导致焊接接头力学性能降低。

Figure 2. Comparison of calculation results at different welding speeds (a) Thermal cycle curves in the heat-affected zone; (b) Width of different positions of the weld

图2. 不同焊接速度下计算结果对比；(a) 热影响区热循环曲线；(b) 焊缝不同位置宽度

图2(b)为两种不同焊接速度下，焊缝剖面a、b、c三个值的对比。在9 cm/min的焊接速度下，焊缝宽度明显缩小。上表面宽度的半值a由16.3 mm降低至12.3 mm，降低了24.5%；厚度方向1/2处焊缝宽度的半值由14.8 mm降低至10.5 mm，降低了29.1%。相比之下，热影响区宽度的降低则较为有限，由10.7 mm降低至9.6 mm，仅降低了10.3%。

应力方面，依照第四强度理论，采用米塞斯应力(S.Mises)来反应焊接后焊件的应力状态。图3为两种不同焊接速度下，焊板冷却至室温后，俯视角下的应力分布云图。

Figure 3. Stress contours at different welding speeds (a)v = 6 cm/min; (b) v = 9cm/min

图3. 不同焊接速度下应力云图；(a) v=6 cm/min；(b) v=9 cm/min

从应力分布云图中可以看出，在无预热、无保温、焊接过程完全约束的情况下，EH36船板钢在焊后存在相当大的残余应力，其焊缝两侧存在宽度约50 mm的高应力场。在6 cm/min的焊接速度下，焊缝与高应力区之间存在一个应力较低的过渡区。焊接速度提高至9 cm/min，此过渡区消失。从焊缝中心位置向母材方向依次取多个参考点，统计两种工艺下的残余应力数值大小，结果如图4所示。

Figure 4. Stress values at reference points at different welding speeds

图4. 不同焊接速度下参考点应力值

数值统计结果显示，6 cm/min的焊接速度下，焊缝与高应力区之间的过渡区宽度约为7 mm的过渡区，此过渡区内残余应力的数值逐渐升高，在距离焊缝中心16.3 mm处达到643.4 MPa，并进入宽约45 mm的高应力区，此区域内残余应力数值变化不大，残余应力最大值为663.5 MPa。9 cm/min的焊接速度下，没有过渡区，在距离焊缝中心10.5 mm处即达到655.3 MPa，在46 mm处达到最大应力值671.4 MPa。两种焊接速度下残余应力的最大值差距仅有1.17%，可以认为焊接速度的变化对残余应力的数值影响不大，仅影响其分布。

两种工艺相比较，在距离焊缝中心10 mm~20 mm的热影响区范围内，9 cm/min的焊接速度下的残余应力显然比6 cm/min的焊接速度更大，会极大的影响接头的冲击韧性。例如，DH40船板钢焊接接头的冲击韧性值在热影响区位置因残余应力集中而明显下降[11]。同时，残余应力也会与腐蚀介质共同作用加速应力腐蚀开裂，船板钢长期处于海水环境中，残余应力会导致热影响区位置更易发生腐蚀疲劳和氢脆。因此，在电源功率不变的情况下，较慢的焊接速度有助于提高接头性能。

5. 结论

本文利用ABAQUS有限元软件，采取二维高斯面热源 + 三维锥形高斯旋转体热源复合模型，进行了EH36船板钢大线能量焊接的有限元模拟计算。通过改变焊接速度，研究了不同焊接工艺对焊接温度场、应力场的影响。得出结论如下：

(1) 在热源功率不变的情况下，热影响区的温度峰值随焊接速度升高而降低。在焊接速度为6 cm/min时，热影响区的最高温度为1389℃。焊接速度为9 cm/min时，同一个参考点峰值温度仅为946℃；

(2) 同样，在热源功率不变的情况下，焊接速度提高时，熔池宽度比热影响区尺寸下降的更快。焊接速度由6 cm/min提高至9 cm/min，焊缝宽度降低了约30%，热影响区宽度仅降低了10%；

(3) 在热源功率不变的情况下，焊接速度的变化对焊后残余应力数值的影响较小，6 cm/min和9 cm/min两种焊接速度下残余应力的最大值差距仅有1.17%。但对焊后残余应力的分布状态有较大影响；

(4) 9 cm/min的焊接速度下残余应力场更靠近焊缝，热影响区位置残余应力更大，会导致接头力学性能和耐蚀性能的下降。

基金项目

感谢海洋工程用超大线能量钢焊接材料开发及示范应用(粤自然资合[2024]24号)项目对本研究的支持。

NOTES

^*通讯作者。