动态热拉伸用于大型PCTC船舶建造中薄壁T型梁结构焊接变形控制

《Frontiers in Marine Science》：Dynamic thermal tensioning for welding distortion control of thin-walled T-beam structures in large PCTC shipbuilding

　　

引言：纵向弯曲变形是大型纯汽车和卡车运输船（PCTC）所用薄壁T型梁加筋结构的主要制造问题。本研究探讨不同焊接速度下焊接变形的形成机制，并开发了一种感应辅助动态热拉伸方法，用于主动变形控制。
方法：研究人员建立了热-弹-塑性有限元模型，研究高、低速焊接条件下T型梁的瞬态温度场、塑性区演化、残余应力分布和弯曲变形。研究人员基于多个温度和应变率下的拉伸试验，建立了AH36钢的温度相关修正Johnson–Cook本构模型，并通过UMAT子程序在ABAQUS中实现。该本构模型通过独立的AH36对接焊试验验证。随后通过数值方法研究了感应加热温度和加热距离的影响，并在大型PCTC船舶建造的高速串联埋弧焊生产线上进行了全尺寸验证。
结果：低速焊接由于高温停留时间较长，产生更大的塑性压缩区和纵向收缩应变积累，导致最终的纵向弯曲变形更为严重。高速焊接主要以焊接阶段的瞬态热弹性下挠为特征。感应辅助动态热拉伸通过调节腹板区域的温度场和纵向收缩，有效减少了纵向弯曲变形。最佳感应加热条件取决于焊接速度。在全尺寸生产实验中，选定的感应加热参数将T型梁的纵向弯曲变形最多减少了66.7%，观察到的调节趋势与数值结果一致。

**论文解读：大型PCTC船舶建造中薄壁T型梁结构焊接变形的动态热拉伸控制研究**

海洋钢结构中，T型梁作为典型加强构件，对维持船体纵骨、甲板及舱壁结构的承载能力和结构刚度具有重要作用。在大型远洋客船和大型纯汽车/卡车运输船（PCTC）的制造过程中，T型梁通常采用埋弧焊（SAW）和熔化极气体保护焊（GMAW）等高能量密度或高速焊接工艺。受局部强烈热输入和非均匀冷却条件影响，不可避免地产生复杂残余应力和焊接变形，其中纵向弯曲变形最为典型，显著影响后续装配精度和服役性能。既有变形控制方法包括焊接参数优化、反变形法、夹具约束和外部场辅助调控等，但关于材料本构行为演化、辅助热源调控与结构变形响应之间耦合关系的系统研究仍相对有限，尤其是面向高速焊接条件下实际工程结构的研究尚不充分。为此，本研究聚焦大型PCTC船舶建造中薄壁T型梁结构的焊接变形行为与主动控制，结合材料表征、热-弹-塑性数值分析、感应辅助热拉伸和全尺寸生产验证开展系统研究。

研究人员建立了考虑温度相关热物理和力学性能的ABAQUS热-弹-塑性有限元模型，分析了高速（1650 mm/min）与低速（400 mm/min）焊接条件下T型梁的瞬态温度场、塑性区演化、残余应力分布和弯曲变形行为。研究基于多温度和多应变率拉伸试验标定了AH36钢的温度相关修正Johnson–Cook本构参数，通过用户材料子程序（UMAT）实现，并采用独立对接焊试验验证了模型精度。在此基础上研究了感应加热温度和加热距离对变形控制效果的敏感性和影响规律，最后在实际船厂高速双丝埋弧焊生产线上开展了全尺寸工艺验证。

研究人员采用的关键技术方法包括：对两家代表性船厂T型梁生产线的实地调研与变形测量（A厂采用双面高速SAW，约1650 mm/min；B厂采用双面低速CO₂ GMAW，约400 mm/min）；通过沿轧制方向（RD）、横向（TD）和法向（ND）的单轴拉伸与压缩试验评估AH36钢各向异性；在20–500°C、4×10^-5–5×10^-3 s^-1四个应变率下开展20组正交高温拉伸试验，标定屈服强度、应变硬化参数和应变率敏感性参数；对加热-冷却循环后试样进行拉伸和显微硬度测试；基于Fortran编写UMAT子程序实现温度相关修正Johnson–Cook本构模型；建立三维热-弹-塑性有限元模型，并采用Wang et al. (2019)报道的AH36钢板对接焊试验进行验证；最终于A厂T340×7/150×12 T型梁高速双丝SAW实际生产线上配置45 kW、30–80 kHz高频感应加热系统进行全尺寸实验。

研究结果如下：

（1）不同焊接工艺下T型梁的最终变形特征：两船厂T型梁焊后均产生向腹板侧的纵向弯曲变形，即正方向变形；B厂梁长较短但变形量略大，但截面尺寸差异使其无法直接归因于焊接速度，需进一步采用统一模型进行机理研究。

（2）AH36钢本构表征与热循环行为：RD、TD与ND方向屈服强度差异小于0.8%，宏观各向异性较弱，故采用von Mises各向同性屈服准则；AH36钢在200–400°C区间呈现明显动态应变时效（DSA）特征，应变强化参数B和应变率敏感性参数C随温度呈非单调变化，常规Johnson–Cook模型无法准确描述；低于500°C的感应热循环后材料抗拉强度变化小于5%、平均硬度波动约5%，说明材料性能基本稳定，可为在线变形控制提供工程依据；修正模型对独立对接焊试验最大变形预测误差为2.97%，优于原始模型4.3%的误差。

（3）不同焊接速度下T型梁焊接弯曲变形演化机制：相同热输入条件下，低速焊接最大正变形13.61 mm，最大负变形0.97 mm，总弯曲约14.58 mm；高速焊接对应值分别为8.08 mm、1.72 mm和9.81 mm，低速比高速的弯曲变形高约40%；低速焊接残余拉应力区域明显更宽且峰值更高，腹板中部形成明显的压缩应力区，沿腹板高度呈“拉–压–拉”交替分布，等效于结构内部自平衡固有弯矩，驱动T型梁向腹板侧弯曲；瞬态分析显示，高速焊接过程中热源前方出现与焊炬同步移动的热弹性下挠变形，随后冷却恢复并转化为朝向腹板的上拱；低速焊接则表现为加热区下挠与冷却区上拱共存并沿焊缝方向传播的时空耦合特征，焊接中后期呈现明显“S”形弯曲。

（4）动态热拉伸机理与参数敏感性：感应辅助动态热拉伸通过同步加热腹板区域降低基体金属约束刚度，抑制焊接区压缩塑性应变的累积。低速焊接在600°C附近获得约21%控制效率且未出现过补偿；高速焊接则呈现“先增后降”趋势，约345°C时控制效率最佳；加热距离方面，低速焊接最佳距离约150 mm，高速焊接最优范围为100–150 mm；过近易发生热耦合，过远则热拉伸区脱离纵向收缩主导区，均降低调控效果。

（5）全尺寸生产验证：在d=150 mm、T_ind≈280°C条件下，T型梁纵向弯曲变形由32–34 mm降至10.8 mm，控制效率达66.7%；d增大至200 mm时同样温度下控制效率降至50.6%；数值模拟与实验结果趋势一致，变形绝对偏差为1–4 mm，验证了数值模型对实际生产工艺变形调控行为的预测能力和该方法在连续生产条件下的工程可行性。

讨论部分指出，实际生产中受设备布置、加热能力和生产节拍制约，现场稳定达成的感应温度（约280°C）低于数值分析理想条件，但控制规律保持一致。数值模型能有效捕捉感应热拉伸引起的变形控制趋势。研究所得感应加热参数是针对AH36薄壁T型梁特定结构和焊接条件的专用参数，不能直接普适于所有焊接结构，但调节原则具有可推广性：加热位置应依据焊接塑性收缩主导区的空间分布确定，加热温度应提供足够热拉伸作用而不引入过量附加塑性变形。

研究结论如下：高速串联埋弧焊和低速串联气体保护焊条件下，T型梁结构均呈现向腹板侧上拱的纵向弯曲变形，变形模式主要由纵向固有收缩而非焊接工艺类型决定；相同热输入下低速焊接因高温停留时间长、塑性区更大而产生显著更大的纵向弯曲变形；高速焊接以与热源同步移动的瞬态下挠变形为主，低速焊接则呈现加热下挠与冷却上拱共存的“S”形瞬态弯曲，其本质为加热与冷却阶段在时间上重叠程度存在显著差异；基于固有应变理论和三杆模型证明了约束热膨胀产生压缩塑性应变、冷却后转化为纵向收缩并驱动结构整体弯曲的机制；沿腹板高度的“拉–压–拉”残余应力分布相当于结构内部形成的自平衡固有弯曲力矩，导致T型梁向腹板侧弯曲；AH36钢在200–400°C呈现显著动态应变时效行为，应变强化参数与应变率敏感性参数均表现出显著温度依赖性，通过建立温度相关参数函数A(T)、B(T)、n(T)和C(T)并借由UMAT子程序在ABAQUS中实现修正Johnson–Cook本构模型，可准确描述其热塑性行为；高频感应动态热拉伸通过主动调节基体材料区域的温度场和约束状态，可有效抑制焊接压缩塑性应变累积从而减小T型梁纵向弯曲变形；感应加热温度和作用距离显著影响控制性能，过小或过大的作用距离均会降低调控效率，存在最优加热温度和作用距离区间；全尺寸生产线实验表明，在作用距离150 mm、感应加热温度约280°C条件下，T型梁纵向弯曲变形最多可减少约66.7%，实验结果与数值分析趋势一致，验证了所提方法应用于大型T型梁生产过程的变形控制能力与工程可行性。