豪華客滾船作為高附加值的高端船型，兼具卓越的旅客舒適性、多元化的娛樂功能，以及高效的客貨運輸能力。該船型建造涉及振動噪聲控制、重心精準調控等多項復雜技術。為有效平衡船舶自重控制與航行穩定性需求，通常采用5~7 mm厚的高強鋼薄板建造數百個艙室單元，導致薄板拼接焊縫數量極為龐大。因此，如何實現薄板焊接效率與質量的協同提升，同時避免焊接變形及殘余應力的累積，成為突破高端客滾船建造技術瓶頸的關鍵。 

軟襯墊單面埋弧焊是單面埋弧焊雙面成型技術的創新工藝，采用柔性固化焊劑襯墊輔助焊縫成型[1]。該工藝通過襯墊材料的黏彈特性實現平直和曲面拼板的自適應貼合，避免了傳統雙面焊所需的構件翻身工序，顯著提高了焊接效率[2]。20世紀90年代，日本船廠率先將該工藝應用于曲面鋼板拼接與船體分段合攏作業，隨后韓國造船業將其拓展至平面拼板焊接領域[3]。目前，該技術已在國內船廠的中厚板對接焊接中得到廣泛應用。 

針對高強鋼薄板焊接中存在的冷裂紋敏感性高、變形控制要求嚴格等技術難點，筆者通過優化FAB（Flux Aided Backing）法埋弧焊工藝參數，成功將該技術應用于豪華客滾船上建薄板焊接。實踐表明，該工藝的焊接效率較傳統藥芯焊絲電弧焊（FCAW）和埋弧自動焊（SAW）分別提高了125%和67%[4-5]。 

筆者基于高強鋼薄板FAB法埋弧焊的熱循環特性，采用有限元數值模擬方法開展焊接變形仿真研究，并通過宏觀觀察、金相檢驗、硬度測試和殘余應力測試等方法對焊接接頭進行系統表征，旨在為高強鋼薄板FAB焊接工藝的工程應用提供理論依據與技術支撐。 

1.   焊接試驗

高強鋼薄板FAB法埋弧焊采用優化的窄間隙I型坡口設計，坡口間隙控制為0~1 mm，簡化了坡口加工作業。該工藝通過精確的焊絲對中控制和焊接電流動態調節技術，在保持10 mm/s焊接速率的條件下，能夠確保焊縫根部完全熔透，有效避免了未熔合、裂紋等焊接缺陷的產生。相較于傳統焊接工藝，FAB法埋弧焊工藝可減少30%~50%的填充金屬用量，同時降低焊接熱輸入40%左右。 

FAB法埋弧焊試驗選用豪華客滾船上建結構常用的6 mm厚AH36高強鋼板材，試板規格為400 mm×500 mm（寬度×長度）。試板材料的力學性能如表1所示，焊接工藝參數如表2所示，焊接接頭坡口結構及焊縫成型尺寸分別如圖1，2所示。 

圖  1  焊接接頭坡口結構示意

圖  2  焊縫成型尺寸示意

2.   焊接變形仿真模擬

針對高強鋼薄板焊接過程的熱循環特性，基于6 mm厚AH36鋼板的FAB法埋弧焊坡口型式和試板尺寸建立了三維有限元幾何模型，模型中明確定義了包括比熱容、熱導率和密度等熱物理參數，以及屈服強度、彈性模量和線膨脹系數等力學性能參數。為提高計算精度，對焊縫及熱影響區采用局部網格加密技術，并選用雙橢球熱源動態模型結合瞬態熱傳導分析方法模擬焊接溫度場的動態分布特征，最終通過熱-力耦合計算求解焊接試樣在熱循環作用下的塑性變形行為[6-8]。 

研究基于“六點定位”原理模擬FAB拼板焊接工藝的空間自由變形行為，具體約束設置如圖3所示。在建立的坐標系中，x軸代表縱向、y軸代表橫向、z軸代表高度方向。通過以下約束條件限制拼板的6個自由度：（1）位置①限制縱向、橫向和高度3個方向的移動；（2）位置②限制縱向和高度兩個方向的移動；（3）位置③限制高度方向的移動。該約束方案有效模擬了實際焊接工況，獲得的焊接試樣應變場分布如圖4所示。 

圖  3  拼板對接約束

圖  4  FAB單面焊應變場分布

FAB單面焊試樣的焊接變形特征通過截面變形量進行定量表征，結果如圖5，6所示。由圖5，6可知：橫向變形方面，焊縫中心線（圖3線1）呈現明顯下凹趨勢，最大下凹量達0.61 mm；縱向變形方面，兩個對稱位置（圖3線2和線3）的變形趨勢基本一致，均在縱向坐標約100 mm處出現最大下凹量，分別為1.87 μm和1.46 μm。試樣在橫向和縱向上均表現出以焊縫為中心的下凹變形特征，且橫向變形量明顯大于縱向變形量。 

圖  5  橫向變形分布

圖  6  縱向變形分布

FAB單面焊試樣的橫向收縮特性通過圖3中線4所示的橫向收縮量進行定量評估。橫向收縮分布如圖7所示。由圖7可知：試板在垂直焊縫方向（橫向）呈現整體收縮變形特征，其中最大收縮量達到0.52 mm；值得注意的是，在熄弧端區域觀察到反向變形現象，表現為沿垂直焊縫方向的輕微伸展，其膨脹量為0.20 mm。 

圖  7  橫向收縮分布

3.   檢測結果

3.1   低倍檢驗

截取AH36鋼FAB法埋弧焊接頭橫截面，將試樣截取、打磨、拋光后，使用硝酸乙醇溶液腐蝕，將其置于體視顯微鏡下觀察，結果如圖8所示。由圖8可知：焊縫成型質量優良，接頭變形控制良好，未發現裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔及咬邊等典型焊接缺陷，焊縫區、粗晶區、細晶區和不完全重結晶區等特征區域界限分明。表面焊縫寬度為15.9 mm，余高為1.4 mm，粗晶區寬度為1.0 mm，細晶區寬度為1.4 mm；根部焊縫寬度為9.8 mm，余高為1.7 mm，粗晶區寬度為3.5 mm，細晶區寬度為1.8 mm。分析結果表明，FAB焊接接頭尺寸完全符合工藝規范要求，且具有熱影響區范圍窄小的顯著技術優勢。 

圖  8  FAB焊接接頭低倍檢驗結果

3.2   金相檢驗

FAB薄板焊接采用高精度單道焊接工藝，其工藝特點主要為：（1）高焊接速率（約為10 mm/s）；（2）高電弧密度（約600 A焊接電流）；（3）高熱傳輸效率（約為0.9）。該工藝通過優化熱輸入參數，實現了熔池快速冷卻，有效縮短了材料在高溫區的停留時間，減少了熱循環次數，抑制了焊接熱影響區的晶粒粗化現象，促進形成了細化的微觀組織結構。 

采用光學顯微鏡觀察FAB薄板焊接接頭的顯微組織，結果如圖9所示。由圖9可知：焊縫區域主要由晶界多邊形先共析鐵素體和晶內針狀鐵素體組成[見圖9（a），9（b）]，其中細小交錯的針狀鐵素體能有效阻礙裂紋擴展，顯著提升焊縫的韌性；熔合線及粗晶熱影響區受焊接熱循環影響，晶粒發生明顯粗化，顯微組織為沿原奧氏體晶界分布的多邊形鐵素體，晶內形成針狀鐵素體并伴有少量珠光體[見圖9（c）~9（f）]；距熔合線約3 mm的細晶熱影響區因峰值溫度降低形成了均勻的等軸鐵素體與帶狀珠光體[見圖9（g），9（h）]，其晶粒細化程度優于母材，表現出優異的韌塑性；不完全重結晶區僅發生部分奧氏體相變，保留了鐵素體與珠光體帶狀組織特征[見圖9（i），9（j）][9]。 

圖  9  FAB焊接接頭顯微組織形貌

3.3   硬度測試

采用全自動維氏硬度計對FAB法埋弧焊接頭進行梯度硬度測試，測試點分布如圖10所示。結果表明：由于組織粗化效應，焊縫及粗晶熱影響區的硬度為180~204 HV10；細晶熱影響區因形成細小的等軸鐵素體與帶狀珠光體，且位錯密度降低，其硬度呈現小幅下降的趨勢，最小值為162 HV10（見圖11）。該硬度分布特征與焊接接頭的顯微組織演變規律具有良好的一致性。 

圖  10  FAB焊接接頭硬度測試點分布

圖  11  FAB焊接接頭硬度分布

3.4   殘余應力測試

采用高速殘余應力分析儀對FAB法埋弧焊試樣正反兩面進行殘余應力測試，測試方向垂直于焊縫。測試結果表明：焊接接頭橫截面上的縱向和橫向殘余應力呈現相似的分布特征，其中縱向殘余應力幅值整體高于橫向殘余應力（見圖12）。具體表現為：在焊縫中心區域形成拉應力場，應力向兩側呈梯度遞減趨勢；熱影響區則主要呈現壓應力特征，拉應力與壓應力在截面內形成自平衡體系。這種應力分布特征與焊接熱循環引起的非均勻塑性變形密切相關。 

圖  12  FAB焊接接頭縱向和橫向殘余應力分布

FAB法埋弧焊過程中，焊縫中心區域在電弧熱源的作用下經歷快速熔化和高溫，隨后冷卻過程中因受到周圍冷態母材的剛性約束而產生收縮受阻現象，最終導致焊縫中心區域形成縱向和橫向拉伸殘余應力。測試結果顯示：焊接試樣表面最大殘余應力為162 MPa（縱向）和98 MPa（橫向），根部最大殘余應力達187 MPa（縱向）和87 MPa（橫向）。縱向最大殘余應力達到材料屈服強度的53%，而橫向最大殘余應力僅為材料屈服強度的28%，這一差異反映了焊接熱循環過程中不同方向約束條件的差異性。 

隨著與焊縫中心距離的增大，殘余應力場呈現明顯的梯度變化特征：拉伸殘余應力逐漸減小，在熱影響區轉變為顯著的壓縮殘余應力場。由于FAB法埋弧焊工藝具有熱影響區窄的特點，壓應力集中區主要分布在緊鄰焊縫的熱影響區內，該區域與焊縫共同構成焊接接頭的最大變形區，這一特征與圖5所示的變形仿真結果高度吻合。定量測試結果表明：焊接試樣反面距焊縫中心14 mm處（距熔合線約9 mm）出現最大縱向壓應力，其值為-180 MPa（相當于材料屈服強度的51%）；而在距焊縫中心8 mm處（距熔合線約3 mm）則出現最大的橫向壓應力，其值為-121 MPa（相當于材料屈服強度的34%）。這種應力分布的不對稱性反映了焊接過程中熱-力耦合作用的復雜特性。 

FAB法埋弧焊工藝通過采用單道焊對稱型微坡口創新設計，在實現焊接速率提升至10 mm/s的同時，將焊接熱輸入顯著降低40%。該工藝通過以下機制實現焊接質量優化：（1）減少焊接過程中的不均勻熱膨脹和收縮；（2）有效抑制熱影響區塑性壓縮應變積累；（3）平衡焊縫兩側收縮力，將橫向殘余應力峰值控制在材料屈服強度的28%以內。相較于傳統多道焊工藝，FAB法埋弧焊的核心技術優勢體現在減少熱循環次數、消除層間應力疊加效應，并借助快速冷卻速率抑制相變應力的生成，從而實現了殘余應力與焊接變形的協同優化。實測數據表明，該工藝使焊接接頭殘余應力始終維持在遠低于材料屈服強度的水平。 

4.   結語

（1） FAB法埋弧焊試樣仿真結果顯示：試樣橫向和縱向均出現中部下凹變形，最大下凹量分別為0.61 mm和1.87 μm；同時試樣產生橫向收縮，最大收縮量為0.52 mm。 

（2） FAB薄板焊接接頭顯微組織分析顯示：表面粗晶區（寬度約1 mm）晶粒明顯粗化，主要由沿晶界分布的多邊形鐵素體、晶內針狀鐵素體及少量珠光體組成；細晶區與不完全重結晶區（總寬度約為1.5 mm）則以細小的鐵素體和珠光體帶狀組織為主，由于位錯密度降低，該區域硬度呈現小幅下降的趨勢。 

（3） 焊接接頭橫截面殘余應力分析表明：縱向與橫向殘余應力分布規律相似，但縱向應力水平顯著高于橫向。焊縫中心區域形成較大的拉伸應力場（縱向最大為187 MPa，達到材料屈服強度的53%；橫向最大為87 MPa），該應力場向兩側呈梯度遞減的趨勢；熱影響區則轉變為壓縮應力場（最大壓應力為-180 MPa，為屈服強度的51%）。所有應力均顯著低于材料的屈服強度，表明FAB法埋弧焊工藝能有效控制殘余應力水平。

文章來源——材料與測試網