焊接加固圆柱形压力壳中的残余应力与结构变形：相变诱导的机制

《Ocean Engineering》：Residual stress & structural deformation in welded stiffened cylindrical pressure hull: Phase transformation-induced mechanisms

钛合金压力舱焊接质量受多物理场耦合影响，本研究提出热冶金力学耦合（TMM）模型，通过微观相变动力学与宏观结构约束的交互分析，量化焊接参数、 stiffener几何特征与残余应力分布、结构变形及相变的协同作用。模型经X射线衍射验证，纵向/横向残余应力预测精度达96.8%/98.4%。分析表明，stiffener厚度和高度独立调控残余应力和变形模式，最优热输入窗口（0.4-0.6 kJ·mm?1）内焊接速度主导焊池几何变化。该框架为深海装备焊接质量控制提供理论支撑。

　　随着海洋资源的开发日益深入，尤其是深海油气田和金属矿藏的探索，对深海设备的可靠性提出了更高的要求。在这一背景下，压力壳体结构的焊接缺陷，特别是由相变引起的缺陷，成为影响设备安全性的关键问题。为应对这一挑战，本文提出了一种多尺度的热-冶金-机械（TMM）耦合框架，用于定量分析相变对焊接质量的影响，并建立了一套针对焊接加强筋圆柱形压力壳体的控制策略。该框架揭示了微观结构演化动力学、壳体结构特性以及工艺诱导的热机械载荷之间的三重相互作用关系，从而更全面地理解焊接性能的决定因素。

在实际应用中，焊接过程中的热机械耦合效应容易导致诸如未熔合、残余应力集中和结构变形等缺陷，这些缺陷会显著降低结构的使用寿命。如果这些缺陷未能及时检测和有效控制，可能会引发灾难性故障。特别是对于复杂的压力壳体结构，其内部的加强筋几何参数与焊接工艺参数之间的相互作用可能进一步加剧残余应力和结构变形的空间异质性，从而在深海高压环境下增加结构失稳的风险。因此，准确预测并有效控制焊接残余应力和结构变形对于钛合金压力壳体的制造至关重要。

现代压力壳体通常采用圆柱形或球形壳体，并通过合理布置的加强筋结构（如环形框架、T型加强筋和纵向桁架）来提供关键的抗水压支撑。然而，这些加强筋结构的复杂几何形态在焊接过程中带来了显著的挑战，尤其是在加强筋与壳体连接处，材料的不连续性会导致应力集中和变形问题。焊接过程中产生的残余应力具有独特的分布特征，通常在热影响区表现出高幅值的拉应力，而在母材区域则表现为压应力。这些应力场会显著降低压力壳体在外部水压作用下的临界屈曲载荷，可能导致结构在深海作业中提前失效。

此外，焊接过程中的变形，即使微小，也可能显著放大应力集中因子，加速疲劳裂纹的萌生。传统的焊接质量控制方法主要依赖于焊后热处理和优化夹具，但这些方法在焊接过程中对物理机制的考虑较为有限，难以全面反映焊接过程中的复杂现象。因此，开发能够准确预测并有效控制钛合金压力壳体焊接残余应力和结构变形的先进建模技术成为当前研究的重点。

钛合金在焊接过程中还存在固态相变（SSPT）现象，这一现象对焊接质量产生了额外的影响。钛合金的相变机制可以分为两种类型：加热过程中的扩散型相变和冷却过程中的非扩散型（马氏体）相变。扩散型相变涉及α相与β相之间的可逆转换，通常由JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）方程描述。而非扩散型相变则涉及β相向马氏体（α'相）的转变，这一过程通常采用KM（Koistinen-Marburger）方程进行建模。相较于传统高强度钢的相变条件，钛合金在焊接热循环中的相变不仅覆盖更广的温度范围，而且其关键冷却速率的控制机制更加复杂。这些因素共同驱动了钛合金在焊接过程中显著的微观结构演化，包括在加热阶段α相向β相的转变，以及在冷却阶段β相分解为多种形态（包括马氏体α_m）。

这些相变过程会引起显著的体积变化，由于各相的晶体结构和热膨胀系数不同，从而产生额外的相变应变，这些应变会与热应变和机械应变相互作用，进一步复杂化残余应力的分布。相变诱导塑性（TRIP）效应进一步加剧了残余应力的不均匀性，这种现象无法通过传统的热机械模型准确捕捉。当前针对钛合金压力壳体的焊接模拟方法往往忽略了相变的影响，导致预测的残余应力场和结构变形与实际测量结果存在较大偏差。随着深海作业的不断推进，这种偏差可能对设备的安全性和可靠性产生更大的威胁。

因此，建立一个能够同时考虑热传导、相变动力学和弹塑性变形的集成热-冶金-机械（TMM）耦合模型，对于实现钛合金压力壳体焊接质量的精确预测和有效控制具有重要意义。该模型不仅能够揭示焊接过程中复杂的多物理场相互作用，还能为工业制造提供实用的解决方案，以提高深海结构焊接的一致性和可靠性。

在过去的几十年中，关于压力壳体焊接质量的研究取得了显著进展。早期的研究主要依赖于经验方法来控制残余应力，而近年来的研究则逐渐转向计算建模，以实现对焊接过程的优化。例如，Ni等人（2023）建立了一个全面的框架，用于评估压力壳体几何参数对残余应力分布的影响，量化了加强筋尺寸和间距与关键结构连接处应力集中的关系。与此同时，焊接参数的变化对残余应力分布和结构变形行为的影响也成为研究热点。基于与焊接工艺参数相关的实验数据，如热输入、焊接速度（Zhu等人，2025b）、焊接顺序（Hamidreza Rohani Raftar等人，2025）、夹具条件和边界条件（Ding等人，2024），一些研究对这些参数的变化进行了定量分析，以评估其对焊接质量的影响。

此外，焊接过程中机械性能的研究也取得了重要进展，这些研究增强了对压力壳体疲劳机制的理解。例如，先前的研究（Liu等人，2025）利用连续损伤力学方法，对压力壳体钢在低周疲劳载荷下的疲劳行为和损伤机制进行了深入探讨，并阐明了焊接裂纹的萌生、扩展以及最终结构失效的全过程。Liu等人（2014）则提出了一种结构可靠性分析方法，用于预测在随机外部载荷和裂纹尺寸条件下压力壳体对接焊缝的疲劳寿命变化。

尽管上述研究在一定程度上提高了对压力壳体焊接质量的理解，但大多数现有研究仍然分别关注几何因素或工艺参数，而忽略了它们与相变之间的协同作用。加强筋结构的几何复杂性在焊接过程中引入了多方向的热梯度，这些热梯度与相变动力学相互作用，导致了异质的微观结构和残余应力场。这种复杂的相互作用无法通过单独分析各个因素来充分揭示。因此，建立一个综合考虑相变现象与几何和工艺参数影响的多物理场耦合分析模型，对于深入理解钛合金压力壳体焊接质量的根本机制以及开发有效的控制策略具有关键作用。

本文的研究旨在通过数值模拟的方式，探讨焊接过程中相变对钛合金压力壳体质量的影响。为此，开发了一个适用于加强筋圆柱形压力壳体的热-冶金-机械（TMM）耦合模型，该模型基于有限元分析，并通过自定义子程序在ABAQUS中实现。在对实验测量结果进行验证后，该模型被进一步应用于分析加强筋圆柱形压力壳体的结构行为，并系统地评估加强筋几何参数和焊接参数对残余应力分布、结构变形以及相组成演化的影响。研究重点在于焊接过程中微观结构相变、宏观结构特征和工艺参数之间的相互作用。

通过这一多尺度耦合框架，本文不仅揭示了焊接过程中复杂的物理机制，还为深海结构的工业制造提供了可行的解决方案。研究结果表明，在最优热输入窗口（0.4–0.6 kJ·mm?1）内，焊接速度对熔池几何形态具有显著影响。加强筋几何参数的分析进一步确认了加强筋板厚和高度对残余应力和结构变形特征的独立控制作用。这些发现对于优化焊接工艺、提高结构可靠性具有重要的指导意义。

综上所述，本文提出的TMM耦合模型和控制策略为深海压力壳体的焊接质量提供了全新的分析视角。通过结合多尺度建模方法，该研究不仅能够更准确地预测焊接过程中的残余应力和结构变形，还能揭示相变对焊接质量的深远影响。这种综合性的研究方法有助于开发更加可靠和高效的焊接控制技术，为深海设备的安全运行提供了坚实的理论和技术支撑。