板厚对DH36海洋钢T型接头焊接引起的变形和残余应力的影响

《Ocean Engineering》：Influence of plate thickness on welding induced distortion and residual stress of T-joints of DH36 marine steel

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　　焊接工艺在船舶制造中扮演着至关重要的角色，其设计与实施直接影响着最终结构的性能和质量。在实际工程应用中，焊接接头的板厚、钢材等级以及接头类型通常被视为主要的设计参数。然而，对于这些参数如何影响焊接变形和残余应力的研究仍然存在一定的空白。本文旨在填补这一空白，通过系统性分析DH36海洋钢材T形接头在不同板厚条件下的焊接行为，为船舶制造中的焊接工程师提供有价值的参考数据。

在焊接过程中，热源的引入会导致材料局部温度升高，进而引发热膨胀、塑性变形以及冷却后的残余应力。这些现象不仅会影响焊接接头的几何形状，还可能对结构的整体性能产生深远影响。例如，残余应力的存在可能降低结构的承载能力，而焊接变形则可能导致装配误差，增加后续修正工作的成本。因此，深入理解焊接参数对这些现象的影响，对于优化焊接工艺、提高制造效率具有重要意义。

本文的研究对象是DH36海洋钢材制成的T形接头，其板厚分别为6毫米、8毫米和10毫米。这些板厚的选择基于实际船舶结构中常见的尺寸范围，以确保研究结果能够直接应用于工程实践。为了准确模拟焊接过程中的热-力耦合效应，研究团队采用了一种基于ABAQUS的热弹塑性分析方法。该方法通过用户自定义子程序DFLUX实现了双椭球热源模型，能够更真实地再现焊接热源的分布特性。这种热源模型在模拟过程中考虑了热输入的不均匀性，有助于提高计算结果的准确性。

在数值模拟的基础上，研究团队还进行了实验验证，以确保分析方法的有效性。实验过程中，使用了六台SA-D2580红外激光长波测温仪对焊接过程中的温度变化进行实时监测。这些测温仪被安装在盖板上，能够记录焊接过程中不同位置的温度历史数据，并将数据直接传输至计算机进行存储和分析。此外，为了测量焊接后的变形情况，研究团队还采用了Leica Absolute Laser Tracker ATS600这一高精度坐标测量设备。该设备能够实时跟踪焊接接头的三维坐标变化，从而准确评估焊接变形的大小和方向。

通过将数值模拟结果与实验数据进行对比，研究团队验证了所建立的分析方法在预测焊接温度分布、垂直位移以及残余应力方面的可靠性。结果显示，所采用的双椭球热源模型能够较为准确地再现焊接热源的特性，从而为后续分析提供了坚实的基础。此外，实验数据与数值模拟结果之间的吻合度表明，该分析方法能够有效捕捉焊接过程中热-力耦合的复杂行为。

研究的重点在于探讨板厚对焊接变形和残余应力的影响。在实验和数值分析过程中，研究团队对不同板厚的T形接头进行了详细对比。结果显示，板厚对焊接变形角度具有显著影响，而对最大残余应力的影响则相对较小。这一发现对于焊接工程师在实际设计中具有重要的指导意义。例如，在设计船舶结构时，如果需要控制焊接变形，可以通过调整板厚来实现；而如果关注残余应力的控制，则可能需要采用其他工艺参数进行优化。

进一步分析表明，随着板厚的增加，焊接变形的角度呈现出一定的变化趋势。这一趋势可能与材料的热膨胀系数、焊接热输入以及冷却速率等因素有关。在较薄的板厚条件下，焊接过程中产生的热量更容易在材料中扩散，从而导致更小的局部变形。相反，较厚的板厚可能限制了热量的扩散，使得局部区域的热应力更为集中，从而引发更大的变形。然而，对于残余应力而言，其最大值在不同板厚条件下并没有表现出显著的变化，这表明残余应力的分布可能更多地受到焊接工艺参数的影响，而非单纯的板厚因素。

为了更全面地评估焊接接头的性能，研究团队还对焊接过程中的温度历史、垂直位移以及残余应力分布进行了详细分析。温度历史的模拟结果显示，不同板厚的焊接过程中，温度的上升和下降曲线存在一定的差异。这种差异可能与材料的导热性能以及焊接热源的分布特性有关。垂直位移的测量则进一步验证了焊接变形的角度变化趋势，为理解焊接过程中材料的几何变化提供了重要依据。

残余应力的分析则涉及焊接接头的力学行为。在实验中，采用X射线衍射（XRD）方法对残余应力进行了测量，而在数值模拟中，则通过热弹塑性分析得到了残余应力的分布情况。对比分析表明，尽管板厚对残余应力的最大值影响较小，但其分布模式可能会随着板厚的变化而有所不同。这一现象表明，板厚在一定程度上会影响残余应力的局部集中情况，从而对焊接接头的长期性能产生影响。

研究团队还对焊接过程中的热-力耦合行为进行了深入探讨。在焊接过程中，热输入会导致材料的局部膨胀，而冷却过程中则会引发收缩。这种热膨胀与冷却收缩的不匹配是导致焊接变形的主要原因之一。通过分析不同板厚条件下的温度分布和变形情况，研究团队发现，板厚的增加可能会改变热输入的分布模式，从而影响变形的大小和方向。这一发现对于优化焊接工艺参数具有重要的参考价值。

此外，研究团队还对焊接接头的几何形状进行了详细分析。在实验和数值模拟中，T形接头的尺寸和形状被精确控制，以确保研究结果的可比性。通过对不同板厚条件下的焊接接头进行对比，研究团队发现，板厚的增加会导致焊接接头的几何形状发生一定的变化，这种变化可能与焊接热源的分布、材料的热传导特性以及冷却过程中的应力释放有关。这些几何变化不仅影响焊接接头的外观质量，还可能对结构的承载能力和疲劳性能产生影响。

在实际工程应用中，焊接接头的性能评估通常需要综合考虑多个因素，包括材料特性、焊接工艺参数以及环境条件等。本文的研究结果表明，板厚是影响焊接变形的重要因素之一，而对残余应力的影响则相对较小。这一结论为焊接工程师在设计焊接接头时提供了重要的参考依据。例如，在需要控制焊接变形的场合，可以通过调整板厚来优化接头的几何形状；而在关注残余应力的场合，可能需要结合其他工艺参数进行综合调整。

研究团队还对焊接过程中的热-机械耦合行为进行了深入分析。在焊接过程中，热输入不仅会引起材料的温度变化，还会导致材料的塑性变形。这种塑性变形在冷却过程中会逐渐转化为残余应力，从而影响焊接接头的长期性能。通过数值模拟和实验测量的对比，研究团队发现，不同板厚的焊接接头在热输入和冷却过程中表现出不同的行为特征。这些特征可能与材料的热传导性能、焊接速度以及热源的分布模式有关。

为了确保研究结果的准确性，研究团队采用了多种实验手段进行验证。除了温度测量和坐标跟踪外，还对焊接接头的残余应力进行了测量。通过将实验数据与数值模拟结果进行对比，研究团队发现，数值模拟方法能够较为准确地预测焊接接头的温度分布、变形情况以及残余应力的分布模式。这一结果表明，所建立的分析方法在实际工程应用中具有较高的可靠性。

综上所述，本文的研究结果表明，板厚对焊接变形的角度具有显著影响，而对最大残余应力的影响则相对较小。这一发现为焊接工程师在设计和优化焊接接头时提供了重要的参考依据。通过合理选择板厚，可以在一定程度上控制焊接变形，从而提高焊接接头的质量和结构的稳定性。同时，研究团队还对焊接过程中的热-力耦合行为进行了深入分析，为未来的研究提供了新的思路和方向。

在实际工程应用中，焊接接头的设计和优化需要综合考虑多种因素，包括材料特性、焊接工艺参数以及结构需求等。本文的研究结果表明，板厚是影响焊接变形的重要参数之一，而对残余应力的影响则相对较小。这一结论为焊接工程师在设计和实施焊接工艺时提供了重要的指导意义。例如，在需要控制焊接变形的场合，可以通过调整板厚来优化接头的几何形状；而在关注残余应力的场合，可能需要结合其他工艺参数进行综合调整。

此外，本文的研究还表明，数值模拟方法在预测焊接接头的热-力行为方面具有较高的可靠性。通过将实验数据与数值模拟结果进行对比，研究团队验证了所建立的分析方法的有效性。这一结果不仅为焊接工艺的优化提供了理论支持，也为未来的工程实践提供了重要的参考依据。在实际应用中，焊接工程师可以利用这些数据来优化焊接参数，提高焊接接头的质量和结构的稳定性。

研究团队还对焊接过程中的热-机械耦合行为进行了深入探讨。在焊接过程中，热输入不仅会引起材料的温度变化，还会导致材料的塑性变形。这种塑性变形在冷却过程中会逐渐转化为残余应力，从而影响焊接接头的长期性能。通过数值模拟和实验测量的对比，研究团队发现，不同板厚的焊接接头在热输入和冷却过程中表现出不同的行为特征。这些特征可能与材料的热传导性能、焊接速度以及热源的分布模式有关。

在实际工程应用中，焊接接头的设计和优化需要综合考虑多种因素，包括材料特性、焊接工艺参数以及结构需求等。本文的研究结果表明，板厚是影响焊接变形的重要参数之一，而对残余应力的影响则相对较小。这一结论为焊接工程师在设计和实施焊接工艺时提供了重要的指导意义。例如，在需要控制焊接变形的场合，可以通过调整板厚来优化接头的几何形状；而在关注残余应力的场合，可能需要结合其他工艺参数进行综合调整。

通过本文的研究，焊接工程师可以更好地理解板厚对焊接变形和残余应力的影响，从而在实际工程中做出更科学的决策。此外，本文所建立的数值分析方法也为未来的焊接工艺研究提供了重要的工具。随着船舶制造技术的不断发展，对焊接工艺的要求也越来越高。因此，深入研究焊接参数对焊接行为的影响，不仅有助于提高焊接接头的质量，也为实现高精度、高效率的船舶制造提供了有力支持。