极地船舶装备气电立焊的焊缝接头性能分析_江泽新.pdf

135江泽新，等：极地船舶装备气电立焊的焊缝接头性能分析2023年第3期总第204 期极 地 工 程 装 备 研 究 专 栏极地船舶装备气电立焊的焊缝接头性能分析江泽新 韦青嵩 段正启 刘 鑫（广船国际有限公司 广州 5 1 1 4 6 2）摘 要：极地船舶长年行驶于低温的极地环境，且时常遭受浮冰撞击，其焊缝接头要求具备较高的综合性能。文中对极地船舶装备气电立焊（EGW）的焊缝组织和性能、残余应力和变形进行系统研究分析，优化 EGW 的焊接工艺，提高焊接接头的可靠性，降低焊接变形和残余应力，助力极地船舶高效焊接工艺推广应用。研究结果表明：坡口间隙增大线能量升高，焊缝低温韧性稳定性降低，热影响区低温韧性显著下降，焊缝的残余应力和变形显著增大。采用氧化物冶金、氧化冶金等技术研制的大线能量钢板，可有效提高热影响区的低温韧性，提高焊接接头的可靠性。关键词：极地船舶；焊接装配；气电立焊；冲击韧性；断裂韧性；可靠性；有限元分析中图分类号：U671.83 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.135Performance Analysis of Weld Joints for Electrogas Welding of Polar Ship EquipmentJIANG Zexin WEI Qingsong DUAN Zhengqi LIU Xin(Guangzhou Shipyard International Co.,Ltd.,Guangzhou 511462,China)Abstract:Polar ships sail in low-temperature Polar Regions all year round and are often collided with floating ices.The welding joints of polar ships therefore demand high comprehensive performance.The microstructure and mechanical properties,residual stress and deformation of the electrogas welding(EGW)are systematically analyzed for the polar ship equipment.The optimization of the welding process of the EGW,improvement of the reliability of the welding joints and reduction of the welding deformation and residual stress promote the application of efficient welding processes for polar ships.The results show that with the increase of groove gap,the linear energy increases,the low-temperature toughness stability of the weld decreases,and the low-temperature toughness of the heat-affected zone decreases significantly,as well as the residual stress and deformation of the weld increase significantly.The large heat input steel plate developed by the technologies of oxide metallurgy or oxidation metallurgy can effectively improve the low-temperature toughness of the heat-affected zone and the reliability of the welding joints.Keywords:polar vessel;welding assembly;electrogas welding(EGW);impact toughness;fracture toughness;reliability;finite element analysis(FEA)收稿日期：2022-09-28；修回日期：2022-10-31作者简介：江泽新（1977-），男，本科，高级工程师。研究方向：新材料新工艺设备的焊接应用。韦青嵩（1974-），男，硕士，研究员级高级工程师。研究方向：薄板焊接技术。段正启（1974-），男，硕士，高级工程师。研究方向：结构件高效焊接技术。刘 鑫（1996-），男，本科，工程师。研究方向：高效焊接工艺。0 引 言相较于常规船舶，极地船舶因在极地地区长年运营，需要面对低温环境和浮冰撞击1。因此，对极地船舶焊缝接头要求具备较高的综合性能，保证接头的可靠性。实际生产中，保证可靠性的主要措施是提高材料的断裂韧度、降低应力及减少焊接缺陷，而在低温环境应用还需要提升冲击韧性水平。136研究表明：冰层撞击前期，外板的损伤主要表现为冲击和划割损伤；随着船舶深入冰层，冰层的挤压破坏不断增大、撞击次数不断增多，外板不断发生塑性变形直至塑性破坏，内部结构也由弹性变形进入塑性失效阶段。船舶受到挤压和撞击直至失效阶段所产生的能量传递以外板的吸能最多，其次是骨材。当外板进入塑性阶段，抗冰能力将急剧下降并严重威胁船只安全，所以外板的安全性是极地船舶可靠性的重要关键点。2-3目前，多种焊接工艺已在极地装备结构开展实际工程应用，例如单面自动双面成形埋弧焊（flux copper backing,FCB）、埋弧焊（submerged arc welding,SAW）、气电立焊（electrogas welding,EGW）等，焊接 效率明显提升。船舶外板焊缝通常采用二氧化碳气体保护焊（fluxed cored arc welding,FCAW）、FCB、EGW、SAW 等焊接工艺（如对平直结构拼板阶段开展FCB焊接，总组搭载阶段采用EGW焊接），均属于大线能量焊接工艺，容易引起接头脆化，导致塑性韧性降低。4对比分段拼板阶段，分段合拢累计了分段制造阶段多个工序的精度误差和吊装过程中导致的分段变形，并且二次修割的现象时有发生5，造成合拢焊缝坡口间隙与规范标准误差较大，整体坡口质量低于 FCB 拼板阶段，且建造过程中的 EGW 线能量整体大于 FCB。同时，总组搭载分段外板的骨材已经完成焊接，外板拘束度大，焊接完成后的残余应力大，外板更容易出现塑性变形，故极地船舶外板EGW 焊缝的隐患风险系数高于其他结构或采用其他焊接方法的焊缝。如今，许多学者对 EGW 焊缝进行分析研究并取得了良好的效果6-12，但这些研究主要集中于焊接位置、焊接角度和工艺参数优化等，针对焊接坡口间隙对焊缝性能的影响研究较少。随着计算机技术和计算方法飞速发展，数值模拟是继理论方法和试验方法之后的第 3 种科学研究和工程分析方法13。研究结果表明：建立三维热力学有限元模型，对焊接接头残余应力场和焊接变形进行数据分析，可有效避免有损检测所带来的风险隐患，以及无损检测因船舶焊缝错综复杂增加的建造成本，并且数值模拟结果和残余应力实际测量基本吻合14-16。采用数值模拟结果对焊接工艺参数和结构进行优化，可有效降低因残余应力过大而导致结构发生塑性变形的风险隐患。本文对极地船舶隐患风险系数高的 EGW 焊缝接头开展断裂韧性、冲击韧性与微观组织研究，并采用有限元模拟分析焊接过程中的应力场分布和变形情况，探究板材坡口间隙对焊接可靠性的影响，优化焊接工艺、提高焊接结构的可靠性，试验数据可以为现场的实际焊接提供切实可行的理论依据。1 试验过程1.1 焊接装配试验选用母材为 EH36 钢板，板厚为 30 mm 并开设单面 V 型坡口，坡口角度为 30。依据生产的装配情况，间隙分别设置为 8 mm、12 mm 和 16 mm，如图 1 所示。（a）间隙 8 mm （b）间隙 12 mm （c）间隙 16 mm图 1 试板坡口形式及尺寸1.2 焊接参数焊接过程中，为保证试验变量的唯一性，设定焊接电流、电压均保持一致，通过改变焊接速度来反馈坡口间隙的变化，如下页表 1 所示。137江泽新，等：极地船舶装备气电立焊的焊缝接头性能分析2023年第3期总第204 期极 地 工 程 装 备 研 究 专 栏表 1 焊接参数试验方案坡口间隙/mm电流/A电压/V焊接速度/（mmmin-1）线能量/（kJcm-1）（a）84004043.6220.1（b）124004032.4296.3（c）164004027.0355.42 接头韧性2.1 接头冲击韧性焊接完成经过无损检测合格后，按 GB/T 229开展-20 的低温夏比冲击试验。冲击试样尺寸均为 10 mm10 mm50 mm，冲击开槽取样位置如图 2 所示。图 2 冲击开槽取样位置多次进行 8 mm、12 mm、16 mm 坡口间隙的焊缝冲击试验，3 种规格间隙整体冲击性能均能满足规范要求。8 mm 坡口间隙的焊接接头冲击韧性分布均匀，在相同的冲击位置，冲击平均值与试验数值两者之间的离散程度低，接头冲击性能稳定。随着间隙不断增大，焊缝整体的冲击性能降低，焊缝冲击值不稳定，冲击平均值和试验数值两者的离散度增大。FL 及 FL+2 位置的数值离散度最大，个别试样冲击韧性数值已低于标准要求，如下页图 3 所示。试验结果表明：8 mm 坡口间隙的接头性能最为稳定；间隙增大时，线能量也增大，焊缝的冲击性能降低，数值不稳定。如文献 17 表明：采用氧化物冶金技术、氧化冶金等技术的大线能量钢，可避免常规钢材在大线能量条件下熔合线及附近热影响区形成粗大相变组织，保证大线能量下熔合线及热影响区的冲击韧性，从而保证焊接接头的稳定性。138 （a）间隙 8 mm （b）间隙 12 mm （c）间隙 16 mm图 3 低温冲击实验数值对比2.2 断裂韧性断裂韧性试验参照 BS7448 和 DNV-OS-C401标 准 进 行，选 用 三 点 弯 曲（three point bending,TPB）标准试样，以裂纹尖端张开位移（crack tip opening displacement,CTOD）作为评价指标。2.2.1 试样制备焊接试板尺寸为 450 mm360 mm30 mm，间隙分别为 8 mm、12 mm 和 16 mm，均为 30 的 V 型坡口。依据实验要求，缺口开在焊缝中心和熔合线粗晶区。焊缝和熔合线分别取 6 个试样，试样长度不小于 5 倍试样宽度，断裂韧性取样位置如图 4 所示。采用10 t高频疲劳试验机在室温下预制疲劳裂纹，疲劳频率10 Hz。为了保证初始裂纹长度在0.45 0.70试样宽度（W）的有效范围内，设定预制疲劳裂纹的长度为 2.5 mm。图 4 断裂韧性取样位置2.2.2 检测分析将试样放入低温环境箱中进行冷却，待温度达到-20 后保温 30 min。对试样进行加载直到试样失稳破坏，加载速率控制在 0.5 1.0 mm/min 范围内，并同时记录试样载荷-位移曲线。试样失稳破坏后快速压断试样（焊缝试样需要辅助疲劳扩展），用工具显微镜测量试样的裂纹长度 a0。具体方法为：沿试样厚度方向取 9 个测试位置分别测量，其中最外侧的 2 个点位于距试样表面1 B 处，然后在这 2 个点之间等间距取 7 个测试位置，按欧标 BS_7448-1 开展断裂韧性 CTOD 特征值和试样几何形状因子计算：按式（1）计算裂纹长度 a0：80109002182iiaaaa=+=+|（1）在 F-V 曲线上读取最大载