船用钢T型接头焊趾选择优化研究

船用钢T型接头焊趾选择优化研究

陈日昱

中船澄西新荣船舶有限公司江苏靖江214514

摘要：随着经济不断发展，科学技术水平不断提升，我国的造船业得到了很大水平上的提升，就民用造船来说，其中T型接头焊趾的选择是一个非常重要环节，怎样能够让其更加合理并发挥出最大的优势，非常值得相关人员研究。本文从现代船用钢厚板材料特点以及焊接准备工作谈起，而后研究了船用钢T型接头焊趾的选择优化，希望能为该方面的研究积累一些理论性的参考资料，进而不断提升这一工作的质量。

关键词：船用钢；T型接头焊趾；选择；优化；研究

1、现代船用钢厚板材料特点以及焊接准备工作

1.1船用钢厚板材料特点

由于高强度钢厚板是由铁索体与奥氏体组成，这种化学成分与组织决定了材料的稳固性，另外还有很多合金元索体具有较强的固溶性，使得现代高强度船厚板的屈服强度比传统材料高出许多。这种高强度的特质有利于提高船用钢厚板耐磨耐腐蚀的性能。近几年，我国船舶行业多数使用了高强度的钢厚板材料，由于一些化学品船只装载了多种液体活物，例如化学制品、石油产品、食品等，其中有些货物对周围环境或者安全有着巨大的危害，因此需要船舶材料具有耐腐蚀性，并且具有较高的强度，这样才能够保证在水中运输安全。

1.2焊接前准备工作

母材坡口加工：以50mm钢厚板对接焊缝为研究对象，在坡口加工时，一般用的是数控切割机做自动加工，我们为了减少焊接过程中的变形程度，提升焊接质量。对于坡口应当按照图纸来进行加工，在表面保证光滑，没有锯齿的痕迹。在加工之后要及时进行铁锈的清理，然后进行焊接工作。坡口加工是为了能够让焊接的接头达到全焊透、去锈的目的，使母材与焊缝等强度。通常情况下，会用机加工、气割等形式进行加工，但是需要注意的是需清除氧化渣，假如坡口加工与焊接过程的时间相较长，应当在焊接之前将坡口周围的铁锈脏污清理干净之后焊接。

装配工作：以图纸要求进行钢厚板装配，装配过程中材料之间的缝隙与留下错位不得超过相关法律规范限定的范围，并保持坡口之间的缝隙一致。当钢厚板拼接完成后，进行定位焊接，定位焊接选择与正式焊接过程中一样标准的焊口，在定位焊接过程中高度不能超过焊接缝隙高度的70%。

焊接前预热：因为船用钢板较厚，容易出现焊接留下的裂纹，因此应该就焊接工作之前要对材料进行预热。我们进行预热的主要目的是为了缓解焊接接头的冷却速率，对接头在AC3线下的800℃到AC1线以下的500℃或者AC1线的500-1000℃范围内的冷却时间中，能够有利于氢气的释放，减少冷却裂纹的出现。预热工作还可以去掉钢厚板未面的油污、水分，这样能降低板材中含有的氢量，但是我们要必须合理控制好焊接之前的预热温度，一般高强度钢板材的预热温度为100℃-150℃。而板材局部预预热温度范围是在焊接缝隙两侧约100mm至200mm之间的距离，最好选择履带加热器或者专用的火焰加热器来进行，并且工作人员要严格进行温度的掌控。

1.3注意事项及规范

当焊接高强度钢厚板时，应挑选高技术水平的、焊接技术方法熟练的工作人员，并严格依据焊接规范进行操作。此外还需注意，在进行焊接工作时，焊接线能量应小于5000J/M，一旦超过这个范围，会造成焊接缝隙中的金属在高温环境中滞留过久，导致材料晶粒变大变粗，降低板材组织的可塑性，影响接头部位抗裂能力的发挥。但是焊接线能量太小也不行，会加快接头的冷却速率，缩短冷却的时间，造成氢气无法释放出来，这也会增加出现冷裂的程度，因此，在进行焊接工作时，必须严格掌控焊接线能量，使之保持在合理范围内。

2、不同焊趾形式的T型接头有限元模型

此次的研究材料为普通船用钢，因为民用船机舱区域底部受总纵弯曲影响较大，故选择某型民用船机舱底部区域中内龙骨的T型接头开展研究。此次研究中使用了MSC.Patran软件建立民用船修理过程中常见的4种不同焊趾形式的T型接头有限元模型，如图一所示，并参照《钢质海船入级规范》要求划分网格。在网格划分中，采用由四边形拉伸为六面体的方法。统筹考虑计算精度和计算效率，在焊缝附近区域网格尺寸为2mmx2mmx6mm，在远离焊缝区域网格尺寸由2mmx2mmx6mm渐次延伸到2mmx10mmx6mm。图一（a）为凸圆形焊缝，为焊接后未经处理保留原始焊趾的凸圆弧；图一（b）为平面形焊缝，即焊后经打磨处理与面板、腹板均成45度角的平直焊趾；图一（c）为四圆形焊缝，即焊接后经过机械加土处理，将原始焊趾打磨后变成凹圆弧形式；图一（d）为除根形焊缝，节点处原始焊趾被打磨去除干净，即没有焊角残留。

3、不同焊趾形式的T型接头疲劳寿命

3.1不同焊趾形式T型接头的应力分布

分别在4种焊趾形式的T型接头有限t}模型上施加约束、载荷，取值参照民用船实际受力，T型材面板两端为刚性固定，即位移约束：ux=uy=uz=0转角约束:θx=θy=θz=0，腹板端部受拉伸载荷作用，大小为7.5t，使用MSC.Nastran软件对T型接头进行结构应力计算。从实践可知，四圆形焊趾的最大拉应力最小，平面形焊趾的最大拉应力值和圆形焊趾差不多，而除根形焊趾的最大拉应力值最大。从应力水平角度来衡量T型焊接接头的优劣，四圆形和平面形焊趾的应力水平最低。对承受静态或准静态载荷的结构来说，T型接头在焊接时宜把接头焊趾打磨成}“}圆形或平面形，可以大大降低接头处的应力集中，有利于提高焊接接头的承载能力。

3.2不同焊趾形式T型接头的疲劳寿命计算

基于S-N曲线疲劳分析方法，利用MSC.Fa-tigue模块对上述T型焊接接头有限t}模型进行疲劳寿命计算，疲劳载荷形式为折线形，应力比R=0.1。4种焊趾形式在拉伸载荷为7.5t时的疲劳寿命，在约束方式及加载情况完全相同的情况下，平面形和凹圆形焊趾的T型接头疲劳寿命最长，达到21100次；其次是凹弧形，疲劳寿命为16200次，凸圆形寿命最短，疲劳寿命为11200次。

这一结果表明：焊缝的凸出部分或除根部位是应力集中区域，如果焊后不进行机械加工处理，将使焊接接头的疲劳强度大大降低。凹圆形和平面形疲劳寿命相当，这是因为少量打磨焊趾使其平滑后相当与加大了焊趾的过渡半径，显然有利于增加疲劳寿命。一般情况下，平面形焊趾打磨时间小于凹圆形焊趾打磨时间，且施土人员较容易掌控质量，因此，从施工实际考虑，T型接头应选用平面形焊趾形式。

4、不同焊脚尺寸的平面形T型接头疲劳寿命

参照《钢质海船入级规范》角接焊缝设计要求，选取符合规范要求的2mm、4mm、5mm、6mm、8mm，这5种焊脚尺寸建立相应的平面形T型接头有限儿模型，并在约束和载荷与上述情况相同条件下计算其疲劳寿命。

以约束方式及加载情况完全相同的约束条件，焊脚尺寸为4mm、5mm和6mm的平面形T型接头疲劳寿命较长，为21100次；焊脚尺寸为2mm和焊脚尺寸为8mm的平面形T型接头疲劳寿命较短，为11200次。这一结果表明：对于平面形T型接头其最佳焊脚尺寸在4mm-6mm范围内。

结束语

综上所述，通过对比分析4种不同焊趾形式和5种不同焊脚尺寸的平面形T型接头疲劳寿命，可以得出这样的结论。第一，因承载时应力分布好、接头疲劳寿命大及接头加工劳动强度小等原因，在民用船修理过程中T型构件的焊接应选用平面形焊趾形式。第二，对于民用船而言，平面形焊趾形式的T型接头最佳焊脚尺寸为4mm-6mm。

参考文献

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[2]李余江,史春元,胡文浩,等.焊后处理对转向架SMA490BW钢焊接接头疲劳性能的影响[J].焊接技术,2016(11):79-83.