分享：船用高強鋼薄板埋弧焊接頭顯微組織與殘余應力變形

豪華客滾船作為高附加值的高端船型，兼具卓越的旅客舒適性、多元化的娛樂功能，以及高效的客貨運輸能力。該船型建造涉及振動噪聲控制、重心精準調(diào)控等多項復雜技術。為有效平衡船舶自重控制與航行穩(wěn)定性需求，通常采用5~7 mm厚的高強鋼薄板建造數(shù)百個艙室單元，導致薄板拼接焊縫數(shù)量極為龐大。因此，如何實現(xiàn)薄板焊接效率與質量的協(xié)同提升，同時避免焊接變形及殘余應力的累積，成為突破高端客滾船建造技術瓶頸的關鍵。 

軟襯墊單面埋弧焊是單面埋弧焊雙面成型技術的創(chuàng)新工藝，采用柔性固化焊劑襯墊輔助焊縫成型[1]。該工藝通過襯墊材料的黏彈特性實現(xiàn)平直和曲面拼板的自適應貼合，避免了傳統(tǒng)雙面焊所需的構件翻身工序，顯著提高了焊接效率[2]。20世紀90年代，日本船廠率先將該工藝應用于曲面鋼板拼接與船體分段合攏作業(yè)，隨后韓國造船業(yè)將其拓展至平面拼板焊接領域[3]。目前，該技術已在國內(nèi)船廠的中厚板對接焊接中得到廣泛應用。 

針對高強鋼薄板焊接中存在的冷裂紋敏感性高、變形控制要求嚴格等技術難點，筆者通過優(yōu)化FAB（Flux Aided Backing）法埋弧焊工藝參數(shù)，成功將該技術應用于豪華客滾船上建薄板焊接。實踐表明，該工藝的焊接效率較傳統(tǒng)藥芯焊絲電弧焊（FCAW）和埋弧自動焊（SAW）分別提高了125%和67%[4-5]。 

筆者基于高強鋼薄板FAB法埋弧焊的熱循環(huán)特性，采用有限元數(shù)值模擬方法開展焊接變形仿真研究，并通過宏觀觀察、金相檢驗、硬度測試和殘余應力測試等方法對焊接接頭進行系統(tǒng)表征，旨在為高強鋼薄板FAB焊接工藝的工程應用提供理論依據(jù)與技術支撐。 

1.   焊接試驗

高強鋼薄板FAB法埋弧焊采用優(yōu)化的窄間隙I型坡口設計，坡口間隙控制為0~1 mm，簡化了坡口加工作業(yè)。該工藝通過精確的焊絲對中控制和焊接電流動態(tài)調(diào)節(jié)技術，在保持10 mm/s焊接速率的條件下，能夠確保焊縫根部完全熔透，有效避免了未熔合、裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生。相較于傳統(tǒng)焊接工藝，F(xiàn)AB法埋弧焊工藝可減少30%~50%的填充金屬用量，同時降低焊接熱輸入40%左右。 

FAB法埋弧焊試驗選用豪華客滾船上建結構常用的6 mm厚AH36高強鋼板材，試板規(guī)格為400 mm×500 mm（寬度×長度）。試板材料的力學性能如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示，焊接接頭坡口結構及焊縫成型尺寸分別如圖1，2所示。 

圖  1  焊接接頭坡口結構示意

圖  2  焊縫成型尺寸示意

2.   焊接變形仿真模擬

針對高強鋼薄板焊接過程的熱循環(huán)特性，基于6 mm厚AH36鋼板的FAB法埋弧焊坡口型式和試板尺寸建立了三維有限元幾何模型，模型中明確定義了包括比熱容、熱導率和密度等熱物理參數(shù)，以及屈服強度、彈性模量和線膨脹系數(shù)等力學性能參數(shù)。為提高計算精度，對焊縫及熱影響區(qū)采用局部網(wǎng)格加密技術，并選用雙橢球熱源動態(tài)模型結合瞬態(tài)熱傳導分析方法模擬焊接溫度場的動態(tài)分布特征，最終通過熱-力耦合計算求解焊接試樣在熱循環(huán)作用下的塑性變形行為[6-8]。 

研究基于“六點定位”原理模擬FAB拼板焊接工藝的空間自由變形行為，具體約束設置如圖3所示。在建立的坐標系中，x軸代表縱向、y軸代表橫向、z軸代表高度方向。通過以下約束條件限制拼板的6個自由度：（1）位置①限制縱向、橫向和高度3個方向的移動；（2）位置②限制縱向和高度兩個方向的移動；（3）位置③限制高度方向的移動。該約束方案有效模擬了實際焊接工況，獲得的焊接試樣應變場分布如圖4所示。 

圖  3  拼板對接約束

圖  4  FAB單面焊應變場分布

FAB單面焊試樣的焊接變形特征通過截面變形量進行定量表征，結果如圖5，6所示。由圖5，6可知：橫向變形方面，焊縫中心線（圖3線1）呈現(xiàn)明顯下凹趨勢，最大下凹量達0.61 mm；縱向變形方面，兩個對稱位置（圖3線2和線3）的變形趨勢基本一致，均在縱向坐標約100 mm處出現(xiàn)最大下凹量，分別為1.87 μm和1.46 μm。試樣在橫向和縱向上均表現(xiàn)出以焊縫為中心的下凹變形特征，且橫向變形量明顯大于縱向變形量。 

圖  5  橫向變形分布

圖  6  縱向變形分布

FAB單面焊試樣的橫向收縮特性通過圖3中線4所示的橫向收縮量進行定量評估。橫向收縮分布如圖7所示。由圖7可知：試板在垂直焊縫方向（橫向）呈現(xiàn)整體收縮變形特征，其中最大收縮量達到0.52 mm；值得注意的是，在熄弧端區(qū)域觀察到反向變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為沿垂直焊縫方向的輕微伸展，其膨脹量為0.20 mm。 

圖  7  橫向收縮分布

3.   檢測結果

3.1   低倍檢驗

截取AH36鋼FAB法埋弧焊接頭橫截面，將試樣截取、打磨、拋光后，使用硝酸乙醇溶液腐蝕，將其置于體視顯微鏡下觀察，結果如圖8所示。由圖8可知：焊縫成型質量優(yōu)良，接頭變形控制良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔及咬邊等典型焊接缺陷，焊縫區(qū)、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)等特征區(qū)域界限分明。表面焊縫寬度為15.9 mm，余高為1.4 mm，粗晶區(qū)寬度為1.0 mm，細晶區(qū)寬度為1.4 mm；根部焊縫寬度為9.8 mm，余高為1.7 mm，粗晶區(qū)寬度為3.5 mm，細晶區(qū)寬度為1.8 mm。分析結果表明，F(xiàn)AB焊接接頭尺寸完全符合工藝規(guī)范要求，且具有熱影響區(qū)范圍窄小的顯著技術優(yōu)勢。 

圖  8  FAB焊接接頭低倍檢驗結果

3.2   金相檢驗

FAB薄板焊接采用高精度單道焊接工藝，其工藝特點主要為：（1）高焊接速率（約為10 mm/s）；（2）高電弧密度（約600 A焊接電流）；（3）高熱傳輸效率（約為0.9）。該工藝通過優(yōu)化熱輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)了熔池快速冷卻，有效縮短了材料在高溫區(qū)的停留時間，減少了熱循環(huán)次數(shù)，抑制了焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化現(xiàn)象，促進形成了細化的微觀組織結構。 

采用光學顯微鏡觀察FAB薄板焊接接頭的顯微組織，結果如圖9所示。由圖9可知：焊縫區(qū)域主要由晶界多邊形先共析鐵素體和晶內(nèi)針狀鐵素體組成[見圖9（a），9（b）]，其中細小交錯的針狀鐵素體能有效阻礙裂紋擴展，顯著提升焊縫的韌性；熔合線及粗晶熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)影響，晶粒發(fā)生明顯粗化，顯微組織為沿原奧氏體晶界分布的多邊形鐵素體，晶內(nèi)形成針狀鐵素體并伴有少量珠光體[見圖9（c）~9（f）]；距熔合線約3 mm的細晶熱影響區(qū)因峰值溫度降低形成了均勻的等軸鐵素體與帶狀珠光體[見圖9（g），9（h）]，其晶粒細化程度優(yōu)于母材，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌塑性；不完全重結晶區(qū)僅發(fā)生部分奧氏體相變，保留了鐵素體與珠光體帶狀組織特征[見圖9（i），9（j）][9]。 

圖  9  FAB焊接接頭顯微組織形貌

3.3   硬度測試

采用全自動維氏硬度計對FAB法埋弧焊接頭進行梯度硬度測試，測試點分布如圖10所示。結果表明：由于組織粗化效應，焊縫及粗晶熱影響區(qū)的硬度為180~204 HV10；細晶熱影響區(qū)因形成細小的等軸鐵素體與帶狀珠光體，且位錯密度降低，其硬度呈現(xiàn)小幅下降的趨勢，最小值為162 HV10（見圖11）。該硬度分布特征與焊接接頭的顯微組織演變規(guī)律具有良好的一致性。 

圖  10  FAB焊接接頭硬度測試點分布

圖  11  FAB焊接接頭硬度分布

3.4   殘余應力測試

采用高速殘余應力分析儀對FAB法埋弧焊試樣正反兩面進行殘余應力測試，測試方向垂直于焊縫。測試結果表明：焊接接頭橫截面上的縱向和橫向殘余應力呈現(xiàn)相似的分布特征，其中縱向殘余應力幅值整體高于橫向殘余應力（見圖12）。具體表現(xiàn)為：在焊縫中心區(qū)域形成拉應力場，應力向兩側呈梯度遞減趨勢；熱影響區(qū)則主要呈現(xiàn)壓應力特征，拉應力與壓應力在截面內(nèi)形成自平衡體系。這種應力分布特征與焊接熱循環(huán)引起的非均勻塑性變形密切相關。 

圖  12  FAB焊接接頭縱向和橫向殘余應力分布

FAB法埋弧焊過程中，焊縫中心區(qū)域在電弧熱源的作用下經(jīng)歷快速熔化和高溫，隨后冷卻過程中因受到周圍冷態(tài)母材的剛性約束而產(chǎn)生收縮受阻現(xiàn)象，最終導致焊縫中心區(qū)域形成縱向和橫向拉伸殘余應力。測試結果顯示：焊接試樣表面最大殘余應力為162 MPa（縱向）和98 MPa（橫向），根部最大殘余應力達187 MPa（縱向）和87 MPa（橫向）?？v向最大殘余應力達到材料屈服強度的53%，而橫向最大殘余應力僅為材料屈服強度的28%，這一差異反映了焊接熱循環(huán)過程中不同方向約束條件的差異性。 

隨著與焊縫中心距離的增大，殘余應力場呈現(xiàn)明顯的梯度變化特征：拉伸殘余應力逐漸減小，在熱影響區(qū)轉變?yōu)轱@著的壓縮殘余應力場。由于FAB法埋弧焊工藝具有熱影響區(qū)窄的特點，壓應力集中區(qū)主要分布在緊鄰焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)，該區(qū)域與焊縫共同構成焊接接頭的最大變形區(qū)，這一特征與圖5所示的變形仿真結果高度吻合。定量測試結果表明：焊接試樣反面距焊縫中心14 mm處（距熔合線約9 mm）出現(xiàn)最大縱向壓應力，其值為-180 MPa（相當于材料屈服強度的51%）；而在距焊縫中心8 mm處（距熔合線約3 mm）則出現(xiàn)最大的橫向壓應力，其值為-121 MPa（相當于材料屈服強度的34%）。這種應力分布的不對稱性反映了焊接過程中熱-力耦合作用的復雜特性。 

FAB法埋弧焊工藝通過采用單道焊對稱型微坡口創(chuàng)新設計，在實現(xiàn)焊接速率提升至10 mm/s的同時，將焊接熱輸入顯著降低40%。該工藝通過以下機制實現(xiàn)焊接質量優(yōu)化：（1）減少焊接過程中的不均勻熱膨脹和收縮；（2）有效抑制熱影響區(qū)塑性壓縮應變積累；（3）平衡焊縫兩側收縮力，將橫向殘余應力峰值控制在材料屈服強度的28%以內(nèi)。相較于傳統(tǒng)多道焊工藝，F(xiàn)AB法埋弧焊的核心技術優(yōu)勢體現(xiàn)在減少熱循環(huán)次數(shù)、消除層間應力疊加效應，并借助快速冷卻速率抑制相變應力的生成，從而實現(xiàn)了殘余應力與焊接變形的協(xié)同優(yōu)化。實測數(shù)據(jù)表明，該工藝使焊接接頭殘余應力始終維持在遠低于材料屈服強度的水平。 

4.   結語

（1） FAB法埋弧焊試樣仿真結果顯示：試樣橫向和縱向均出現(xiàn)中部下凹變形，最大下凹量分別為0.61 mm和1.87 μm；同時試樣產(chǎn)生橫向收縮，最大收縮量為0.52 mm。 

（2） FAB薄板焊接接頭顯微組織分析顯示：表面粗晶區(qū)（寬度約1 mm）晶粒明顯粗化，主要由沿晶界分布的多邊形鐵素體、晶內(nèi)針狀鐵素體及少量珠光體組成；細晶區(qū)與不完全重結晶區(qū)（總寬度約為1.5 mm）則以細小的鐵素體和珠光體帶狀組織為主，由于位錯密度降低，該區(qū)域硬度呈現(xiàn)小幅下降的趨勢。 

（3） 焊接接頭橫截面殘余應力分析表明：縱向與橫向殘余應力分布規(guī)律相似，但縱向應力水平顯著高于橫向。焊縫中心區(qū)域形成較大的拉伸應力場（縱向最大為187 MPa，達到材料屈服強度的53%；橫向最大為87 MPa），該應力場向兩側呈梯度遞減的趨勢；熱影響區(qū)則轉變?yōu)閴嚎s應力場（最大壓應力為-180 MPa，為屈服強度的51%）。所有應力均顯著低于材料的屈服強度，表明FAB法埋弧焊工藝能有效控制殘余應力水平。

文章來源——材料與測試網(wǎng)