哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
舰船是国家安全和经济发展的重要组成部分，而高强钢则是舰船建造中
最常用的材料之一。舰船高强钢厚板焊接是船舶制造中常见的一项工艺，焊
接质量对于船舶的安全运行和使用寿命至关重要。固态相变是焊接过程中的
一个重要影响因素，相变影响残余应力分布，而残余应力又对结构服役性能
产生直接影响，将其忽略会带来较大误差，影响结构性能。因此，本文针对
这一问题，使用10Ni5CrMoV高强钢开展考虑固态相变的厚板焊接力学行
为研究。
本文采用“热-力”耦合有限元计算方法，基于固态相变转变量的数学
模型和材料“屈服强度模型”，通过焊接有限元分析专用软件SYSWELD实
现了考虑固态相变效应的焊接力学计算，模拟了10Ni5CrMoV钢考虑固态
相变效应时焊接过程中的组织场、温度场、应力场与变形场。单道焊接模型
计算时，采用单因素分析法，在其他条件保持不变的情况下仅改变一个参数
的数值并进行有限元计算，详细分析了屈服强度、热膨胀系数和焊接速度对
焊接残余应力的影响；通过对10Ni5CrMoV钢厚板多层多道焊的焊接过程
计算，分析了考虑固态相变时的金属相变过程、焊接温度场、应力场以及变
形场的分布，同时对焊接速度采用单因素分析法，计算考虑焊接速度的影响；
通过对管板相贯构件多层多道焊的模拟计算，得到了多层温度、应力以及变
形分布，明确了固态相变在多层多道焊中的影响。
研究结果表明：屈服强度的变化对于焊接残余应力的分布状态的影响较
小，但明显改变应力数值；热膨胀系数对纵向焊接残余应力峰值的影响较小，
但对应力区宽度的影响比较明显，应力区宽度随着热膨胀系数的增大而增大；
焊接速度的改变对于残余应力分布状态的影响较小，仅在残余应力数值上存
在影响，焊缝处的纵向残余应力随焊接速度的增大而增大，横向残余应力随
焊接速度的增大而减小。整体而言，厚板与管板相贯两种结构形式的多层多
道焊接时，在冷却过程中发生马氏体相变，首先，由于马氏体相变会引起体
积膨胀，减小纵向残余应力的数值，而横向残余应力数值有所增加。其次，
由于马氏体具有较高强度，因此焊接角变形有所减小。
本文通过有限元模拟10Ni5CrMoV钢多层多道焊接力学的所得结果，
对工程实际中10Ni5CrMoV钢的焊接构件的服役性能具有一定参考价值。
关键词：高强钢；多层多道焊；固态相变效应；管板焊接接头
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Shipsareanimportantpartofnationalsecurityandeconomicdevelopment,
andhigh-strengthsteelisoneofthemostcommonlyusedmaterialsinship
construction.Shiphigh-strengthsteelplateweldingisacommonprocessin
shipbuilding,andweldingqualityiscrucialforthesafeoperationandservicelife
ofships.Solid-statephasetransitionisanimportantinfluencingfactorinthe
weldingprocess,phasechangeaffectstheresidualstressdistribution,andthe
residualstresshasadirectimpactontheserviceperformanceofthestructure,and
ignoringitwillbringalargeerrorandaffectthestructuralperformance.Therefore