中厚板大坡口单面焊接头的焊接分析.doc

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1、造船技术ShipbuildingTechnology制作：大船重工科技部情报室 日期：2004年5月26日 来源：《船海工程》2004.2.中厚板大坡口单面焊接头的焊接分析摘要：对中厚板大坡口焊缝的单面焊，从焊接热输入、温度场特征、变形及残余应力、接头组织及其机械性能方面进行分析，并结合生产实例，探讨了保证该类焊缝焊接质量的行之有效的方法。1引言船舶建造中，厚度6～26nm的钢板被广泛采用。“国标”CB985－88对该厚度范围内的钢板采用衬垫、单面焊双面成形，明确规定了接头坡口的基本形式及尺寸，如图1所

2、示。对于12～14mm厚钢板的焊接，一般取α=5o，=p2mm，b=4mm，经几何计算，坡口横断面的上端间隙控制在12mm左右。实际生产中，由于装配精度等原因，有的接头坡口间隙过大，表现为开口角减小、底端间隙增大，甚至达20mm以上。在这种情况下施焊，为保证接头焊接质量，有必要对其焊接特性进行分析，据以确定合适的焊接规范。2大坡口接头焊接热输入的确定单面焊双面成形工艺是在焊件背面用衬垫强迫成形，因而必须将焊件一次焊透，在板厚、坡口较大的情况下，一次焊透需要大的焊接热输入。在连续作用的热源中，焊接热输入定

3、义为电弧总功率与焊接过程热效率的乘积。q＝ηh×UI计及焊接速度，派生出单位长度焊缝热输入qw（即焊接线能量）的定义为qw=q／v依此定义，若需获得大的qw，有两种途径：增大电弧总功率或减小焊接速度；如想保持qw为常数，也有两种方法：大功率高速焊接或小功率低速焊接。根据焊接电弧热平衡原理，可估算所需的焊接线能量。对于气体保护金属极电弧焊，电弧总功率的65%～90%得到有效利用成为热输入，其中约15%的部分是用于熔化电极（包括部分母材）。设母材板厚h，板边间隙wg，填满该间隙的金属来自于电极熔化，由该熔化

4、所需热量，可推算出需求的焊接线能量。qw=20wghλ（Tm一T0）／3a式中：λ——热导率，w／（mm·K）；a——热扩散率，mm2／s；T0——局部最高温度，KO；T0——局部初始温度，K.对某一形式、尺寸确定的焊缝，存在唯一的焊接线能量，使焊道刚好被熔敷齐平。qw过大或过小，将造成焊道的凸起或凹陷，不利于焊缝成形。大的焊接线能量虽然有利于提高焊接效率，但是带来的害处不容忽视，在焊接变形和焊接残余应力方面表现尤为突出。基于有限元分析，带加强肋的板在对接焊中的拉伸区宽度及纵向残余应力，与焊后板的整体温

5、升关系见图2。板的整体温升：△T。=2qw／whcp式中：c——比热容，J／（g·K）；ρ——密度，g／mm3。qw越大，△T。越高，板的焊接变形和焊接残余应力就越大。所以，对于必须一次焊透的焊接工艺，焊接线能量以满足焊缝成形的需要为底限，越小越好。3大功率高速焊接的温度场及影响获得小的焊接线能量，可采用小功率低速焊接也可采用大功率高速焊接。大功率高速焊接是在大的电弧总功率下，相应提高焊接速度，而不增加饰的焊接方法。研究表明，作用于板上的匀速移动线热源，其温度场分布可用场中某点的温度r与该点距移动热源的

6、距离T的函数关系式确定：T＝T。＋qe-vx/2aK0r（v2／4a2＋b／a）l／2／λ2hπ式中：K。——第二类零阶修正贝塞耳函数；B=2（a·c＋ar）／ρhc；ac——对流传热系数，w／（mm·K）；ar——辐射传热系数，w／（mm2·K）。当qw为常数时，将q=qw×v或者v=q／qw代如上式，再对变量求导，所得温度T的导函数为单调增函数，函数值的增大与变量q或v的增大成线性比例。这说明随着电弧总功率及焊接速度的增大，即使qw不变，焊接温度场高温区域的范围仍然是扩展的。该扩展表现为焊接温度场中

7、至热源距离｀变大了的各点仍可达到某一高温，尽管此时厂的变大是因为焊接速度v的增大而造成的。关于上述温度场中各点的温升限度，由该点至焊缝中心的垂直距离／决定。Tmax=T0＋0.242qw／yhcp与焊接速度v无关，意味着qw不变时温度场中各点的最高温度基本没有变化，这就是大功率高速焊接湿度场的基本特征。焊接热作用下的温度分布，对焊接接头及其邻近区域的显微组织转变具有重要影响。低qw的大功率高速焊接，其温度场中各点冷却速率比高qw焊接时低，在高温下的停留时间较长。冷却速率低，有利于显微组织相变中的奥氏体向

8、珠光体或贝氏体转变，避免产生硬脆。但在高温下长时间停留是明显弊端，对于温度超过850℃（结构钢奥氏体化温度）的区域，意味着母材的奥氏体化时间延长，奥氏体晶粒粗大，造成材料强度、韧性下降，机械性能受损。不良显微组织虽可通过适当的焊后热处理消除，但对于船舶分段的合拢焊缝，由于构件尺度过大，实施旨在细化晶粒的热处理有一定困难。大功率高速焊接的另一个负面效应是焊接变形较大。如前所述，其焊接温度场中的高温区域范围扩展，对于温度达600℃以上的区域，材