SYSWELD在海洋工程钢结构焊接中应用.docxVIP

第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集1575

SYSWELD在海洋工程钢结构焊接中应用

姜鹏，卫军，甄桂兴，陈欢，李长华

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520）

摘要：本文利用数值模拟软件SYSWELD建立了海洋钢结构中常见的平板对接接头的有限元计算模型，模拟了多道焊的焊

接过程，通过对焊接残余应力和变形的预测分析，浅谈SYSWELD对海洋钢结构焊接应力变形控制的研究应用，最终达到

优化焊接工艺、节省实验经费、提高焊接速度和经济效益的目的。

关键词：SYSWELD；海洋结构；残余应力；变形；控制

海洋钢结构是一种大型、复杂、特殊的工程焊接结构，建造过程中，焊接贯穿在各个环节，焊接工作

量占有相当大的比例。施工不可避免的会产生应力变形，焊接残余应力和变形的存在，会对焊接结构的承

载能力和外形尺寸产生不同程度的影响；

焊接变形的形式有：纵向缩短和横向缩短变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形，焊接残余

应力和变形会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能，因此，应采取各种有效的措施将焊接残余应

力和变形减至最小，或者焊后将它们消除。

1焊接模型的建立

结合海洋工程案例，选取常用海洋钢结构材料，来建立最常见的平板对接接头模型，对接接头的两块

板的长、宽、高都相同，尺寸为100mm×30mm×6mm。因厚度不超过6mm，故不开坡口，电弧按照一定

速度沿板中心从A端走到B端，如图1所示。

图1移动电弧焊接过程物理模型

选取多层焊，考虑到计算量的大小，焊接层选择三层，三道焊缝的开始点都是相同的，从A点到B点。第一道焊缝的结束时间就是第二道焊缝的开始时间，第二道焊缝的结束时间也是第三到焊缝的开始时间。相关焊接工艺参数见表1。

表1焊接计算参数

焊接电流/A电弧电压/v焊接速度/mm·s-1有效系数电弧的有效加热半径/mm

1671550.657

材料选用牌号为S355J2G3的优质钢板。其化学成分如表2。

表2S355J2G3的化学成分组成(w%)

CMnSiSP

0.201.600.550.0350.035

下图2就是创建好了的二维网格图形和三维实体网格。对焊接工件的约束条件如图3所示。

图2对接接头三维截面网格划分图3平板对接接头的约束条件

1576

第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集

研究表明：高斯热源模型用于薄板，与实验结果吻合较好，因此在试验中选取高斯函数分布的热源模

型[1]，如图4。之后按照输入参数对热源进行校核，焊接速度是5mm/s，工件的初始温度是20℃。定义熔

化区的温度是1505℃，热影响区的温度是850℃。图5就是校核好的移动热源在工件热源表面的温度场分

布曲线。最高温度是1666℃。最低温度是设置的初始温度20℃。

图4高斯分布的热流密度图5移动热源的温度场分布曲线

2软件模拟结果分析

2.1残余应力分析

在X、Y、Z方向上的残余应力分布云图如图6所示。

图6各个方向上的残余应力分布云图（A-X方向；B-Y方向；C-Z方向）

由X方向上的残余应力分布云图可知，其最大应力位于工件的两端和靠近中间的位置和位于工件的上下两个表面。

由Y方向上的残余应力分布云图，最大应力位于焊缝开始的一端和靠近中间的位置。最大值达到156.6。

Z方向残余应力主要集中在焊缝开始的端面，端面上最大值位于中间和两端的位置。为了进一步分析残余应力，在工件当中找三个横截面。分别是Y=25mm，Y=50mm，Y=75mm时截

面上的纵向残余应力和横向残余应力。

各分布曲线如图7、8。

（A）（B）（C）

图7三个截面上的横向应力分布（A-25mmB-50mmC-75mm）

第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集1577

（A）（B）（C）

图8三个截面上的纵向应力分布（A-25mmB-50mmC-75mm）

在工件中间部位，应力分布较正常，与理论曲线比较接近，近缝区纵向应力为拉应力，靠近边缘时，

由于约束条件，应力值比较大。在工件的两端，应力变化比较剧烈，是由于电弧的不稳定造成的，由此我

们也能够看出，软件进行有限元模拟分析的有效性和可靠性。

纵向残余应力在工件中间部位基本上都相互平衡，只是在工件的两端出现一些差异。

2.2焊接变形分析

存在焊接残余应力时使工件产生暂时或永久的焊接变形称为收缩、变形或翘曲。图9是焊接完成冷却

到1200s之后的变形在放大5倍之后的分布图。

在试验当中工件的两边和侧边分别加了约束力。由于约束力的存在两边的变形