关键词：船舶钢结构焊接；有限元模拟；焊接热源
引言：钢结构焊接好坏会对船舶的质量产生重要影响。由于焊接存在于船舶建造的各个环节中，因此可将焊接工业看做是船舶的最常用技术。钢焊接对于工艺水平的要求非常严格，为保证焊接的质量，一般会采用断弧焊接，但不同结构的焊接技术不同，比如V型口对接可以使用断电弧，来确保焊接质量。因此，无论选择哪种焊接方法，都需要注意弧长稳定性，确保焊接熔深与熔宽一致。
1船舶钢结构焊的原理
钢焊接是一种物理形象，在焊接过程中产生的变形或者金属加热的问题，是焊接结构内部残留的预应力。在焊接后，焊接缝隙内的钢结构会残留预应力，导致焊接变形。如果焊接力的处理不合格，就会降船体结构的精度。为了提升船舶结构的设计精度，需要借助计算机软件，来模拟整个焊接过程。可以借助有限元件模拟实验，这样一来，既能够对将焊接的钢结的热源变化、焊接热源的移动变化等数据进行监测，又能够分析钢结构内部剩余的应力及形变情况，得出不同焊接阶段的钢结构应力的变化曲线，来最大化的控制焊接应力。
1.1焊接原理的计算公式
借助有限元软件来模拟钢结构的焊接情况，就是指通过焊接来模拟整个过程在，在焊接的过程中，结构的内部热量会产生应力及应变的过程。计算公式如下：
P（材料密度）C（焊接温度的分布函数）=R（结构的导入系数)xQ（内部源的强度）
1.2焊接原理的应力变化
在焊接的过程中，结构的内部的应力和形变的结构会因为材料的温度变化发生弹性，这种弹性属于一种热塑弹性，而焊接的应力问题是通过分析温度变化曲线，得出的非常规线性特点。由于焊接过程中，结构内部产生的变形数据较为复杂，在进行计算的过程中，焊接的热力场可以作为非线性问题来分析。为方便实验分析，此次实验只将温度对应力场的影响考虑进来。应力场的结构关系如下：
1.3焊接热源
在钢结构焊接过程中，电弧热源会将热能传递给焊接的物体，而热量是在面积进行的，整个加热区域就会成为加热斑点，这样的设计具有不均匀热量分布的特点，呈现出特性也是中心斑点热度高，边缘斑点温度低[[]]。
2钢结构焊接结果分析
钢焊接作为一个传热速度快、冷却速度慢的技术，在焊接的过程中，结构内部的温度点变化会呈现不规则趋势。一般来说，焊接结构的焊缝温度变化较为快速，这是受到了电热弧的影响；而一些远离焊缝的内部温度产生的变化较为缓慢。通过对有限元的分析，来模拟整个焊机过程。通过观察并分析结构的放热情况，然后参考观察温度的变化规律，分析纲结构的温度点变化的数据是否与时间有关。
2.1焊接温度变化
通过分析钢结构的关键点与时间的温度变化关系，分析出当焊接的温度达到了最大热源表面温度时候，温度会迅速上升，并出现了最高值，然后出现衰败现象，直到冷却值（温度在100摄氏度左右），才开始逐步降温。
2.2焊缝厚度的方向各点的温度变化
焊接过程中，钢焊接体的表面会由于电热弧的导热作用，导致物体的热能会从表面逐步向内部传递。热能从表面向内部的衰退路线证明，钢焊接结构的各个点，会随着结构物体的表面温度上升，出现衰退现象，当达到最终冷却状态后，钢结构表面的温度会逐渐统一。
2.3叠加区域的温度变化
焊接过程中，焊缝的叠加区域会受到焊缝温度变化的影响，产生局部温度变化，所以导致该区域的内部结温度差异较为明显。在该区域内，焊接缝隙的结构在经历过多次的升温及冷却后，焊接缝隙内的温度呈现不同的温度变化，使得钢板缝隙受到影响产生差异性。通过分析缝隙的热点变化，能够得出以下信息：在船舶钢焊接的过程中，钢结构的加热，会随着选取点的升温而不断增加，当达到峰值后，内部的温度开始产生降低趋势。同时，不同距离的加热源，因为焊缝的不同，其受到的影响程度也就有一定的差异性，因此，焊缝叠加区域对钢结构点的影响最大。
2.4应力场计算
上文提到的焊接温度对局部点温度的影响，由于钢焊接结构产生的等效应力数据较为复杂，体现出的现象为产生焊接的等效应力，会在焊接温度最大的区域数值上，呈现高峰值；而距离焊机缝隙较远的位置，应力较小。进一步观察有限元模拟数据，分析实验结果：在上述区域内，监测到的最大拉应力值为400Map，最小的拉应力为210Mpa，通过有限元的实验计算，在焊接过后的钢结构内部残余的应力值为240Mpa。在计算结果较为清晰的情况下，焊接的缝隙需要具有非常高的内部残余力及等效残余力。这表明焊接缝隙的应力最大。
通过分析焊接结构内部的残余应力，在三条缝隙的结合点形成了最大的拉应力，表明在多重焊接区域内，形成了最大的应力值。在船舶钢结构焊接的过程中，需要避免发生这种情况，以免影响焊接的质量。分析显示，当焊接的最大应力逐渐沿着内部方向发展的时候，内外板的对缝中，会出现最大的拉应力，而最大的拉应力都会在钢结构的中心区域产生，而在钢焊接结构的三个不同方向分布中，如果焊接的方向具有一致性，表明焊区域出现应力较大，这说明，在船舶钢焊接过程中，需要注意这一点[[]]。
结论：综上所述，在船舶钢结构焊接过程中，利用有限元进行设计，能够提高焊接的精准性。在此基础上，通过分析焊接结构内部的残余应力，在三条缝隙的结合点，形成了最大的拉应力，表明在多重焊接区域内，形成最大的应力值；同时，船舶钢焊接的过程中，钢结构的加热，会随着选取点的升温而不断增加，当达到峰值后，内部的温度开始产生降低趋势。因此，有限元模拟的应用，能够优化船舶钢结构焊接的质量。
参考文献：
[1]谢保盛.轧制工艺影响高强韧特厚板组织与力学性能的机理研究[D].北京科技大学,2018.
[2]蒋亚丽.低速冲击荷载下低碳钢的损伤本构模型研究[D].烟台大学,2017.