第四章 船体焊接中的力学问题

第四章船体焊接中的力学问题

船体是一种典型的大型焊接结构。船体结构复杂、刚性大，船体中各种纵、横构件相互交叉、相互连接，尤其是首尾部分还有不少曲型结构。这些构件用焊接连接成一体，使船体成为一个整体结构。一旦某一焊缝或结构中不连续处产生微小裂纹，在应力的作用下，就会迅速扩展到相邻构件，造成部分结构乃至整个船体发生破坏。另外，焊接应力导致的焊接变形直接影响船体结构的质量(尤其是船体的薄板上层建筑)等。这些都是焊接力学研究的问题。

随着包括船体结构在内的焊接结构大型化、精密化、高参数化和材料多样化的发展，对船体结构的质量要求也越来越高，从而推动了焊接力学的发展。例如，关于焊接应力与变形的数值分析研究，目前已发展成为一门新的专门学科“计算焊接力学”。低应力无变形焊接技术的开发，对于焊接弹塑性力学过程现象的计算机仿真，预示着焊接应力与变形是可以精确控制的，不再是不可避免的。同样，在焊接接头断裂力学研究方面也取得了很大的进展。焊接力学的进展，反过来促进包括船体结构在内的焊接结构建造质量和安全可靠性的进一步提高。

船舶焊接所涉及的力学问题复杂，目前尚未见针对造船的焊接力学专著。本章引用霍立兴编著的《焊接结构工程强度》（机械工业出版社)；王家麟、侯贤忠主编的《球形储罐焊接工程技术》(机械工业出版社)和孙志雄编的《焊接断裂力学》(西北工业大学出版社)等书的内容，结合船舶建造的实际进行编写，读者若想对所涉及的问题深入了解，可阅读上述书籍。

4.1结构焊接力学行为

4.1.1 焊接接头类型

在焊接结构中可采用不同形式的焊接接头。具体地说，对接接头、T型接头、角接头和搭接接头是焊接接头的基本类型。在不同的结构标准中，对不同接头形式均有具体规定，本节所引用的是其通用形式。

对接接头：不同板厚的对接接头如图4.1所示.薄板对接接头(B≤3mm)可采用卷边接头或采用不开坡口单面焊缝(B<6mm)，板厚增加，可采用带垫板的不开坡口的单面焊缝接头，但推荐采用不带垫板的双面焊缝对接接头(图4.1(d))。为了保证焊透，对接接头可在单面开坡口或双面开坡口后焊接，具体的坡口可以是V形、U形、X形和K形(图4.1(e)～(h))。

T形接头：它同样有开坡口和不开坡口等形式，在该类接头中，采用不开坡口角焊缝施焊类型应用的最广泛，其焊脚尺寸有采用等脚的，也有采用不等脚的。

角接头：其特性介于对接接头和T形接头之间，其焊缝有的接近于对接焊缝，有的接近于角焊缝或就是角焊缝。

搭接接头：搭接接头一般采用角焊缝施焊形成。塞焊也是焊接搭接接头方法。

很明显，作为焊接接头主要组成部分的焊缝，主要分为对接焊缝和角焊缝。焊缝表面形状往往呈平面形或上凸形，在角焊缝中还可见到下凹形。上凸焊缝从表面上看似乎加强了焊缝，实际上上凸焊缝对接头的工作是不利的。由于传力线的歪扭，在焊缝向基本金属过渡处产生应力集中。因此，为了提高对接焊缝的工作性能，在许多情况下，可采用图4.2(c)所示的焊缝外形，它有利传力线的均匀过渡，减少了应力集中。对于角焊缝，可采用下凹外形的焊缝，由于实现了焊缝向基本金属的平滑过渡，减少了应力集中，因而对提高焊接接头的工作性能在许多情况下是有利的。

焊缝有纵向焊缝和横向焊缝之分。与载荷垂直的焊缝为横向焊缝，其作用是将力从

一块板材传递到另一块板材上去。这种焊缝称为工作焊缝。而与载荷平行的焊缝为纵向焊缝，它只起联系作用，受力时，它将与板材一起变形。如果焊缝金属的弹性模量与基本金属相差不多，则在弹性变形范围内焊缝和基本金属将产生相同的应力，在许多情况下该焊缝对结构强度不造成影响，因而称作联系焊缝，而勿须计算。典型的工作焊缝与联系焊缝如图4.3所示。

4.1.2 焊接残余应力与变形

一般情况下，焊件在焊后或多或少地存在残余应力，甚至产生焊接变形。焊接残余应力与残余变形是影响船体性能和精度的重要因素。至今仍然是迫切需要解决的重要课题。焊接残余应力与残余变形是同时发生和存在于焊接工件之中的，相互联系难以分割。焊接残余应力和残余变形有它们不同的侧重点。对于一些高强度钢制造的重要结构，如主船体结构，如何减低焊接残余应力、防止焊接裂纹的产生和接头强韧性下降往往成为主要的考虑点；而对于一些塑性良好的低碳钢制造的焊接构件，特别是船体上层建筑，控制焊接变形保证制造精度是主要的考虑点。

由于焊接过程和焊接构件的复杂性，在实际生产中对焊接残余应力和残余变形的变化规律往往还是认识不足和难以掌握的，至今在许多情况下仍然还是凭经验，因此往往难以达到产品的性能和精度要求。多年来国内外学者和专家对焊接残余应力和残余变形进行了大量的研究，特别是近年来随着数值方法和计算机技术的发展，许多原来难以解决的问题有了实现的可能，也取得了一些研究成果。然而离在实际焊接生产中的广泛应用还有相当大的差距。

1.焊接残余应力的形成原因

焊接残余应力的形成原因主要是焊接部位的温度不均匀分布、焊接过程中材料的物理性能和力学性能的变化、焊件的拘束度。

(1)焊接时温度分布不均匀

焊接区中不同部位的温度不同，不同的温度分布引起的膨胀量不同，在冷却时，膨胀部分的收缩又受到周围金属的限制，从而产生应力与应变。

(2)焊接时金属力学性能的变化

金属力学性能在不同温度条件下的变化可由短时拉伸实验得到。图4.4所示为低碳钢在不同温度下的拉伸结果，即为低碳钢随温度变化的应力一应变拉伸曲线。图4.5所示为各种力学性能参数随温度变化的趋势。由图可以看出，屈服点s σ和极限强度b σ等均随温度的增加而降低，在700℃以上就基本失去弹性，此时的温度一般称作力学熔点温度。因此在高温下材料抵抗变形能力的大大降低，在200℃～300℃范围内材料的伸长率和断面收缩率下降，说明有蓝脆现象，在预热、焊接、后热等热过程中应重视这一性能变化引起的不良作用。

(3)金属在焊接过程中物理性能的变化

金属受热时物理性能也将发生变化，图4.6为不同温度下低碳钢的物理性能随温度的变化情况。由图可知，热导率和热扩散率a在700℃以下随温度增加而下降，比热容c和s随温度增加而增加，c和a在700℃～800℃之间由于相变而产生突变。c和s在金属熔化时有突变现象。至于热胀系数a和体积质量p，也同样随温度上升而发生变化(图中未标出)，前者从100℃的12.72X10--6／℃上升到700℃的17.9X10-6／℃，后者则由100℃的7.82g／CHl3下降到700℃的7.63g／cm3。

上述力学和物理性能的变化会严重影响焊接过程中应力和应变的形成。在进行应力和应变的计算时，若采用有限元法计算焊接过程的热弹塑性应力应变场，应予以充分重视。在一般的简化计算中，可以用一定温度范围的平均值来代替。

(4)金属相变时的比容变化

金属在加热和冷却过程中发生的相变会引起比容及性能的变化。不同的显微组织，比容大小由其晶格类型所决定。如马氏体为正方体结构，比容值最大；奥氏体为面心立方体结构，比容值最小。对于一般的碳钢，冷却时由于奥氏体向铁素体和珠光体的转变在700℃以上发生，因而不会影响焊接残余应力的形成。但当冷却速度很快或合金及碳元素增加时，奥氏体转变温度降低，并可能形成马氏体，此时将严重影响最终焊接残余应力大小(一般情况下，焊缝中的拉应力值要显著降低)。

(5)焊件本身的刚性

用具有一定厚度的母材金属制造焊件时，由于焊件本身的刚性大，限制了加热时的自由变形和冷却时的自由收缩，从而在接头中产生应力与应变。

刚性的大小与焊件的尺寸拘束度有关，在非拘束条件下，随着焊件尺寸的增大，会产生自拘束作用。当焊件的长度超过500mm以上，即可通过焊件的尺寸效应产生较大的内应力。而当焊件的宽度超过残余应力分布区域的宽度的数倍时，将不影响横向残余应力的分布。

到目前为止，对于焊接残余应力的分布规律及其影响因素已经有了统一的认识和理解，但是从定量的观点上看，由于情况复杂、多变，因而不论是计算还是实测均有一定的误差。

2.焊接残余应力的影响

焊接残余应力的存在对焊接接头乃至焊接结构的安全服役性能有重要影响，表现在