劉 勇，豐少偉，張振海，夏江敏

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

船體結(jié)構(gòu)腐蝕凹坑焊補(bǔ)修復(fù)技術(shù)研究

劉 勇，豐少偉，張振海，夏江敏

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

針對(duì)船體結(jié)構(gòu)腐蝕凹坑修復(fù)問題，利用熱-力耦合彈塑性數(shù)值計(jì)算技術(shù)，研究了焊補(bǔ)修復(fù)方法，對(duì)較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑多道焊接過程進(jìn)行模擬計(jì)算，掌握殼體凹坑修復(fù)過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，得到最佳工藝參數(shù)，并利用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用數(shù)值計(jì)算方法可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接的溫度場(chǎng)和變形以及厚板結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，為工藝參數(shù)的制定提供重要依據(jù)。

船體結(jié)構(gòu)；腐蝕；凹坑；修復(fù)；焊接

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)在海水等介質(zhì)的腐蝕作用下容易產(chǎn)生凹坑，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。對(duì)于較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑，目前國(guó)內(nèi)缺乏修理技術(shù)文件和標(biāo)準(zhǔn)，而整體更換船體結(jié)構(gòu)牽連工程較大，時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)效比低。采用焊補(bǔ)修復(fù)方法，可快速完成缺陷修復(fù)工作，牽連工程小，費(fèi)效比高，但受材料老化、施工環(huán)境有限等因素限制，修復(fù)過程中殘余應(yīng)力過大，將產(chǎn)生裂紋等新缺陷。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員對(duì)腐蝕凹坑修復(fù)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(chǔ)，分析了厚板腐蝕凹坑焊接修復(fù)后的殘余應(yīng)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(guān)人員在研究過程中，主要考慮凹坑的深度，對(duì)凹坑面積分析較小。本文針對(duì)較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑焊接修復(fù)問題，采用雙橢球三維熱源模型和熱彈塑性材料模式[4]，對(duì)較大面積和深度坡口的厚殼體凹坑多道焊接過程進(jìn)行模擬計(jì)算，并進(jìn)行試驗(yàn)分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性。

1 缺陷物理模型

根據(jù)我國(guó)船體結(jié)構(gòu)使用的主要材料和尺寸結(jié)構(gòu)，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(dá)到板厚度的 2/3，腐蝕面積遠(yuǎn)超出現(xiàn)有相關(guān)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 計(jì)算數(shù)學(xué)模型

2.1 焊接溫度場(chǎng)計(jì)算模型

對(duì)于三維焊接熱傳導(dǎo)模型，傳導(dǎo)方程為：

式中：t 為時(shí)間；λ 為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；T 為時(shí)間；ρ為單位體積的質(zhì)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(duì)于熔化極氣體保護(hù)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(shí)體現(xiàn)這些焊接的熱過程。前半部分的橢球熱源表達(dá)式為：

后半部分的橢球熱源表達(dá)式為：

式中： qf和 qr為焊接熔池內(nèi)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(shù)，滿足 ff+ fr= 2。

2.2 焊接應(yīng)力計(jì)算模型

船體結(jié)構(gòu)腐蝕凹坑修復(fù)的關(guān)鍵是掌握焊接熱、彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)材料處于彈性或塑性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系一般為

式中： D 為彈塑性矩陣；C 為與溫度有關(guān)的量。在彈性區(qū)

式中：α 為線性膨脹系數(shù)；T 為溫度。在塑性區(qū)，設(shè)材料屈服條件為：

式中：f 為屈服函數(shù)；f0為與溫度和塑性應(yīng)變有關(guān)的屈服應(yīng)力的函數(shù)。應(yīng)變?cè)隽?{dε}p一般為：

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

根據(jù)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(xué)原理，得到

式中 dRe為單元等效節(jié)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

2.3 邊界條件

在溫度場(chǎng)分析過程中，實(shí)際計(jì)算中需要考慮對(duì)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(dǎo)；而遠(yuǎn)離焊接熔池對(duì)流散熱是熱流損失的主要方式。采用整體焊接對(duì)流散熱系數(shù)。取初始溫度為預(yù)熱溫度，不考慮熔化潛熱的影響。

在應(yīng)力分析過程中，邊界條件由根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件確定，通過采用施加對(duì)稱位移約束方式，來實(shí)現(xiàn)添加邊界條件。

2.4 材料參數(shù)

圖2 是母材和焊縫金屬材料性能參數(shù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。材料密度為 7 850 kg/m3，泊松比為 0.3。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算原理

熱、彈塑性有限元分析的求解過程為：首先把構(gòu)件劃分成有限個(gè)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(gè)單元內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽?dεe和單元位移增量 dδe的關(guān)系為：

由本構(gòu)關(guān)系可進(jìn)一步得到每個(gè)單元的應(yīng)力增量dσe，從而得到整個(gè)焊接過程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程和最終的殘余應(yīng)力和變形的狀態(tài)。在每個(gè)增量步開始時(shí)將幾何形狀更新，在新的拉格朗日坐標(biāo)下分析溫度場(chǎng)方程。采用非線性方程迭代解法求解熱傳導(dǎo)方程的等效溫度場(chǎng)遞推關(guān)系式。收斂后，在同一增量步中，更新溫度值，評(píng)價(jià)材料力學(xué)性質(zhì)和熱應(yīng)變，迭代求解力平衡方程，收斂后，進(jìn)行下一增量步的分析直至所需的增量步結(jié)束。

3.2 參數(shù)選取

母材選取國(guó)產(chǎn)低碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)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(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

針對(duì)圖 1 所示缺陷，建立如圖 3 所示的焊接結(jié)構(gòu)1/4 計(jì)算模型，在凹坑附近的單元結(jié)構(gòu)單元總數(shù) 19 320個(gè)，計(jì)算時(shí)間為 49 h。其中 A-B 路徑方向?yàn)檐埾?，C-D為垂直軋向方向。1，2 和 3 點(diǎn)分別位于間隔 2 個(gè)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(zhǔn)，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(chǎng)和熔池形態(tài)的分布如圖 5～圖 7 所示。由圖 5 可知，熔池溫度附近溫度達(dá)到 2 300 °C。

在焊縫表面以橢圓形等溫線，拖長(zhǎng)尾分布[6]。

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

位置 1 和位置 2 等效焊接應(yīng)力-時(shí)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(yīng)力相繼產(chǎn)生，1 點(diǎn)位置要比 2 點(diǎn)早些產(chǎn)生，因焊接位置 1 點(diǎn)時(shí)的焊道時(shí)，2 點(diǎn)位置處的焊道還未出現(xiàn)。焊接熱應(yīng)力時(shí)間歷程過程的總體趨勢(shì)一致，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，即常溫下的殘余應(yīng)力狀態(tài)[7]。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

綜合分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：使用手工電弧焊方法堆焊腐蝕凹坑的焊接殘余變形較?。缓附訜嵫h(huán)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(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，不同焊道的熱循環(huán)曲線形狀基本相似；焊接殘余應(yīng)力較大值分布在腐蝕凹坑及附近母材的較小區(qū)域內(nèi)，母材和焊縫熔合的凹坑邊緣局部位置殘余應(yīng)力達(dá)到母材的屈服強(qiáng)度水平。在焊縫金屬內(nèi)的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且分布均勻；在腐蝕凹坑的附近區(qū)域由殘余壓應(yīng)力的存在。建議采用后熱處理，降低殘余應(yīng)力的峰值。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(bǔ)焊。焊道與鋼板軋向平行。多層多道焊接。焊后進(jìn)行無損檢測(cè)檢查內(nèi)部缺陷，滲透無損檢測(cè)檢驗(yàn)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(jìn)行表面焊接殘余應(yīng)力測(cè)試。

4.2 缺陷修補(bǔ)試驗(yàn)

鋼板模擬缺陷補(bǔ)焊連續(xù)焊接，采用短弧、小擺動(dòng)、多層多道焊，每一層焊道交替改變施焊方向，焊接共持續(xù)了 20 h，整個(gè)補(bǔ)焊過程盡量采用小規(guī)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(yàn)

補(bǔ)焊完成后，試板整體未發(fā)生明顯變形。X 射線探傷前，將焊接區(qū)打磨至與鋼板平齊。X 射線檢測(cè)表明，在熔合線附近有一近 ? 2 mm 氣孔，評(píng)片結(jié)果為I級(jí)。同時(shí)對(duì)堆焊層表面進(jìn)行滲透檢查，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

將焊縫磨平后標(biāo)出熔合線，在沿熔合線邊緣 5 mm的鋼板一側(cè)和焊縫一側(cè)分別進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋼板一側(cè)大部分為拉應(yīng)力，在堆焊區(qū)四邊的中心部位殘余應(yīng)力最大，達(dá) 620 MPa；焊縫一側(cè)全部為拉應(yīng)力，應(yīng)力大小則無明顯規(guī)律，最大值位于拐角處，為460 MPa[8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）利用數(shù)值計(jì)算方法可較準(zhǔn)確模擬較大面積和深度缺陷厚鋼板缺陷焊補(bǔ)過程修復(fù)過程，并優(yōu)化施工工藝參數(shù)。

2）采用短弧、小擺動(dòng)、多層多道焊補(bǔ)方式，有效控制缺陷結(jié)構(gòu)焊補(bǔ)后的殘余應(yīng)力，模擬缺陷補(bǔ)焊試驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于 921A 鋼板存在的缺陷，采用上述方法修補(bǔ)后，接頭各向強(qiáng)度能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

[1]秦廣沖. 腐蝕坑對(duì)鋼材應(yīng)力集中系數(shù)及疲勞損傷影響研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[2]王強(qiáng). 厚板焊接溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力場(chǎng)有限元分析[D]. 武漢: 湖北工業(yè)大學(xué), 2015: 5–7.

[3]龐藝, 雷永平, 林健. 厚板對(duì)接殘余應(yīng)力的三維有限元模擬與驗(yàn)證[J]. 熱加工工藝, 2014, 11: 10–13.

[4]李培麟, 陸?zhàn)? 雙橢球熱源參數(shù)的敏感性分析及預(yù)測(cè)[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2011, 32(11): 13–19.

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[8]魏海濱. 船體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力消除裝置設(shè)計(jì)研究[J]. 中國(guó)水運(yùn)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(guó)家自然科學(xué)基金資助資助項(xiàng)目(51579242)；大學(xué)科研資助項(xiàng)目(425517k143)

劉勇(1963–)，男，博士，教授，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)。