摘要：豪华客滚船作为高附加值的高端船型，兼具卓越的旅客舒适性、多元化的娱乐功能，以及高效的客货运输能力。该船型建造涉及振动噪声控制、重心精准调控等多项复杂技术。为有效平衡船舶自重控制与航行稳定性需求，通常采用5~7 mm厚的高强钢薄板建造数百个舱室单元，导致薄板拼接

豪华客滚船作为高附加值的高端船型，兼具卓越的旅客舒适性、多元化的娱乐功能，以及高效的客货运输能力。该船型建造涉及振动噪声控制、重心精准调控等多项复杂技术。为有效平衡船舶自重控制与航行稳定性需求，通常采用5~7 mm厚的高强钢薄板建造数百个舱室单元，导致薄板拼接焊缝数量极为庞大。因此，如何实现薄板焊接效率与质量的协同提升，同时避免焊接变形及残余应力的累积，成为突破高端客滚船建造技术瓶颈的关键。

软衬垫单面埋弧焊是单面埋弧焊双面成型技术的创新工艺，采用柔性固化焊剂衬垫辅助焊缝成型[1]。该工艺通过衬垫材料的黏弹特性实现平直和曲面拼板的自适应贴合，避免了传统双面焊所需的构件翻身工序，显著提高了焊接效率[2]。20世纪90年代，日本船厂率先将该工艺应用于曲面钢板拼接与船体分段合拢作业，随后韩国造船业将其拓展至平面拼板焊接领域[3]。目前，该技术已在国内船厂的中厚板对接焊接中得到广泛应用。

针对高强钢薄板焊接中存在的冷裂纹敏感性高、变形控制要求严格等技术难点，笔者通过优化FAB（Flux Aided Backing）法埋弧焊工艺参数，成功将该技术应用于豪华客滚船上建薄板焊接。实践表明，该工艺的焊接效率较传统药芯焊丝电弧焊（FCAW）和埋弧自动焊（SAW）分别提高了125%和67%[4-5]。

笔者基于高强钢薄板FAB法埋弧焊的热循环特性，采用有限元数值模拟方法开展焊接变形仿真研究，并通过宏观观察、金相检验、硬度测试和残余应力测试等方法对焊接接头进行系统表征，旨在为高强钢薄板FAB焊接工艺的工程应用提供理论依据与技术支撑。

高强钢薄板FAB法埋弧焊采用优化的窄间隙I型坡口设计，坡口间隙控制为0~1 mm，简化了坡口加工作业。该工艺通过精确的焊丝对中控制和焊接电流动态调节技术，在保持10 mm/s焊接速率的条件下，能够确保焊缝根部完全熔透，有效避免了未熔合、裂纹等焊接缺陷的产生。相较于传统焊接工艺，FAB法埋弧焊工艺可减少30%~50%的填充金属用量，同时降低焊接热输入40%左右。

FAB法埋弧焊试验选用豪华客滚船上建结构常用的6 mm厚AH36高强钢板材，试板规格为400 mm×500 mm（宽度×长度）。试板材料的力学性能如表1所示，焊接工艺参数如表2所示，焊接接头坡口结构及焊缝成型尺寸分别如图1，2所示。

Table 1. AH36高强钢板材的力学性能

Table 2. FAB法埋弧焊焊接工艺参数

图 1 焊接接头坡口结构示意

图 2 焊缝成型尺寸示意

针对高强钢薄板焊接过程的热循环特性，基于6 mm厚AH36钢板的FAB法埋弧焊坡口型式和试板尺寸建立了三维有限元几何模型，模型中明确定义了包括比热容、热导率和密度等热物理参数，以及屈服强度、弹性模量和线膨胀系数等力学性能参数。为提高计算精度，对焊缝及热影响区采用局部网格加密技术，并选用双椭球热源动态模型结合瞬态热传导分析方法模拟焊接温度场的动态分布特征，最终通过热-力耦合计算求解焊接试样在热循环作用下的塑性变形行为[6-8]。

研究基于“六点定位”原理模拟FAB拼板焊接工艺的空间自由变形行为，具体约束设置如图3所示。在建立的坐标系中，x轴代表纵向、y轴代表横向、z轴代表高度方向。通过以下约束条件限制拼板的6个自由度：（1）位置①限制纵向、横向和高度3个方向的移动；（2）位置②限制纵向和高度两个方向的移动；（3）位置③限制高度方向的移动。该约束方案有效模拟了实际焊接工况，获得的焊接试样应变场分布如图4所示。

图 3 拼板对接约束

图 4 FAB单面焊应变场分布

FAB单面焊试样的焊接变形特征通过截面变形量进行定量表征，结果如图5，6所示。由图5，6可知：横向变形方面，焊缝中心线（图3线1）呈现明显下凹趋势，最大下凹量达0.61 mm；纵向变形方面，两个对称位置（图3线2和线3）的变形趋势基本一致，均在纵向坐标约100 mm处出现最大下凹量，分别为1.87 μm和1.46 μm。试样在横向和纵向上均表现出以焊缝为中心的下凹变形特征，且横向变形量明显大于纵向变形量。

图 5 横向变形分布

图 6 纵向变形分布

FAB单面焊试样的横向收缩特性通过图3中线4所示的横向收缩量进行定量评估。横向收缩分布如图7所示。由图7可知：试板在垂直焊缝方向（横向）呈现整体收缩变形特征，其中最大收缩量达到0.52 mm；值得注意的是，在熄弧端区域观察到反向变形现象，表现为沿垂直焊缝方向的轻微伸展，其膨胀量为0.20 mm。

图 7 横向收缩分布

截取AH36钢FAB法埋弧焊接头横截面，将试样截取、打磨、抛光后，使用硝酸乙醇溶液腐蚀，将其置于体视显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：焊缝成型质量优良，接头变形控制良好，未发现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔及咬边等典型焊接缺陷，焊缝区、粗晶区、细晶区和不完全重结晶区等特征区域界限分明。表面焊缝宽度为15.9 mm，余高为1.4 mm，粗晶区宽度为1.0 mm，细晶区宽度为1.4 mm；根部焊缝宽度为9.8 mm，余高为1.7 mm，粗晶区宽度为3.5 mm，细晶区宽度为1.8 mm。分析结果表明，FAB焊接接头尺寸完全符合工艺规范要求，且具有热影响区范围窄小的显著技术优势。

图 8 FAB焊接接头低倍检验结果

FAB薄板焊接采用高精度单道焊接工艺，其工艺特点主要为：（1）高焊接速率（约为10 mm/s）；（2）高电弧密度（约600 A焊接电流）；（3）高热传输效率（约为0.9）。该工艺通过优化热输入参数，实现了熔池快速冷却，有效缩短了材料在高温区的停留时间，减少了热循环次数，抑制了焊接热影响区的晶粒粗化现象，促进形成了细化的微观组织结构。

采用光学显微镜观察FAB薄板焊接接头的显微组织，结果如图9所示。由图9可知：焊缝区域主要由晶界多边形先共析铁素体和晶内针状铁素体组成[见图9（a），9（b）]，其中细小交错的针状铁素体能有效阻碍裂纹扩展，显著提升焊缝的韧性；熔合线及粗晶热影响区受焊接热循环影响，晶粒发生明显粗化，显微组织为沿原奥氏体晶界分布的多边形铁素体，晶内形成针状铁素体并伴有少量珠光体[见图9（c）~9（f）]；距熔合线约3 mm的细晶热影响区因峰值温度降低形成了均匀的等轴铁素体与带状珠光体[见图9（g），9（h）]，其晶粒细化程度优于母材，表现出优异的韧塑性；不完全重结晶区仅发生部分奥氏体相变，保留了铁素体与珠光体带状组织特征[见图9（i），9（j）][9]。

图 9 FAB焊接接头显微组织形貌

采用全自动维氏硬度计对FAB法埋弧焊接头进行梯度硬度测试，测试点分布如图10所示。结果表明：由于组织粗化效应，焊缝及粗晶热影响区的硬度为180~204 HV10；细晶热影响区因形成细小的等轴铁素体与带状珠光体，且位错密度降低，其硬度呈现小幅下降的趋势，最小值为162 HV10（见图11）。该硬度分布特征与焊接接头的显微组织演变规律具有良好的一致性。

图 10 FAB焊接接头硬度测试点分布

图 11 FAB焊接接头硬度分布

采用高速残余应力分析仪对FAB法埋弧焊试样正反两面进行残余应力测试，测试方向垂直于焊缝。测试结果表明：焊接接头横截面上的纵向和横向残余应力呈现相似的分布特征，其中纵向残余应力幅值整体高于横向残余应力（见图12）。具体表现为：在焊缝中心区域形成拉应力场，应力向两侧呈梯度递减趋势；热影响区则主要呈现压应力特征，拉应力与压应力在截面内形成自平衡体系。这种应力分布特征与焊接热循环引起的非均匀塑性变形密切相关。

图 12 FAB焊接接头纵向和横向残余应力分布

FAB法埋弧焊过程中，焊缝中心区域在电弧热源的作用下经历快速熔化和高温，随后冷却过程中因受到周围冷态母材的刚性约束而产生收缩受阻现象，最终导致焊缝中心区域形成纵向和横向拉伸残余应力。测试结果显示：焊接试样表面最大残余应力为162 MPa（纵向）和98 MPa（横向），根部最大残余应力达187 MPa（纵向）和87 MPa（横向）。纵向最大残余应力达到材料屈服强度的53%，而横向最大残余应力仅为材料屈服强度的28%，这一差异反映了焊接热循环过程中不同方向约束条件的差异性。

随着与焊缝中心距离的增大，残余应力场呈现明显的梯度变化特征：拉伸残余应力逐渐减小，在热影响区转变为显著的压缩残余应力场。由于FAB法埋弧焊工艺具有热影响区窄的特点，压应力集中区主要分布在紧邻焊缝的热影响区内，该区域与焊缝共同构成焊接接头的最大变形区，这一特征与图5所示的变形仿真结果高度吻合。定量测试结果表明：焊接试样反面距焊缝中心14 mm处（距熔合线约9 mm）出现最大纵向压应力，其值为-180 MPa（相当于材料屈服强度的51%）；而在距焊缝中心8 mm处（距熔合线约3 mm）则出现最大的横向压应力，其值为-121 MPa（相当于材料屈服强度的34%）。这种应力分布的不对称性反映了焊接过程中热-力耦合作用的复杂特性。

FAB法埋弧焊工艺通过采用单道焊对称型微坡口创新设计，在实现焊接速率提升至10 mm/s的同时，将焊接热输入显著降低40%。该工艺通过以下机制实现焊接质量优化：（1）减少焊接过程中的不均匀热膨胀和收缩；（2）有效抑制热影响区塑性压缩应变积累；（3）平衡焊缝两侧收缩力，将横向残余应力峰值控制在材料屈服强度的28%以内。相较于传统多道焊工艺，FAB法埋弧焊的核心技术优势体现在减少热循环次数、消除层间应力叠加效应，并借助快速冷却速率抑制相变应力的生成，从而实现了残余应力与焊接变形的协同优化。实测数据表明，该工艺使焊接接头残余应力始终维持在远低于材料屈服强度的水平。

（1） FAB法埋弧焊试样仿真结果显示：试样横向和纵向均出现中部下凹变形，最大下凹量分别为0.61 mm和1.87 μm；同时试样产生横向收缩，最大收缩量为0.52 mm。

（2） FAB薄板焊接接头显微组织分析显示：表面粗晶区（宽度约1 mm）晶粒明显粗化，主要由沿晶界分布的多边形铁素体、晶内针状铁素体及少量珠光体组成；细晶区与不完全重结晶区（总宽度约为1.5 mm）则以细小的铁素体和珠光体带状组织为主，由于位错密度降低，该区域硬度呈现小幅下降的趋势。

（3） 焊接接头横截面残余应力分析表明：纵向与横向残余应力分布规律相似，但纵向应力水平显著高于横向。焊缝中心区域形成较大的拉伸应力场（纵向最大为187 MPa，达到材料屈服强度的53%；横向最大为87 MPa），该应力场向两侧呈梯度递减的趋势；热影响区则转变为压缩应力场（最大压应力为-180 MPa，为屈服强度的51%）。所有应力均显著低于材料的屈服强度，表明FAB法埋弧焊工艺能有效控制残余应力水平。

来源：无比科技