船用鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式優(yōu)化研究

孫宏坤 余洋 聶黎軍 胡波 閆德俊

摘 ? ?要：基于鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭具有拉/剪強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奶匦裕岢隽舜颁X/鋼復(fù)合連接結(jié)構(gòu)拉-剪雙承載模式，即將鋁-鋼過(guò)渡接頭的承載模式從傳統(tǒng)的正向拉伸改變?yōu)槔炫c剪切共同作用模式。過(guò)渡接頭傾斜角度由復(fù)合界面處的拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度確定。數(shù)值模擬研究表明，拉-剪雙承載模式能夠?qū)X/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承受拉伸負(fù)荷能力提高27%;并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該模式將鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉應(yīng)力從256 MPa提高到306 MPa，承載能力提高了20%以上。

關(guān)鍵詞：復(fù)合過(guò)渡接頭;數(shù)值模擬;承載能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TG441.8?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the characteristics of aluminum/steel composite transition joint with equal tensile/shear strength， the tensile-shear double bearing mode of ship aluminum / steel composite connection structure is proposed. The bearing mode of aluminum/steel transition joint is changed from the traditional forward tensile bearing mode to the tensile and shear interaction mode， and the composite transition joint angle is determined by the tensile strength and shear strength of composite interface. The numerical simulation results show that the tensile-shear double bearing mode can increase the tensile load capacity of aluminum / steel composite structure by 27%， and the test shows that tensile stress of aluminum / steel composite structure is increased from 256 MPa to 306 MPa， and the bearing capacity is increased by more than 20%.

Key words： Composite transition joint; Numerical simulation; Bearing capacity

鋁合金上層建筑通過(guò)鋁-鋼過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)船體連接時(shí)，焊接產(chǎn)生的高溫會(huì)促使鋁-鋼界面的金屬間化合物長(zhǎng)大，經(jīng)過(guò)多次焊接熱循環(huán)后形成較厚的化合物中間層，嚴(yán)重地降低復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度，易發(fā)生復(fù)合界面開(kāi)裂進(jìn)而危害船舶的性能和安全，而且在船舶使用過(guò)程中這種安全隱患將一直存在[1-4]，因此焊接過(guò)程中鋁-鋼復(fù)合界面的最高溫度應(yīng)不超過(guò)300 ℃ [5-8]。

目前鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭一般平行于甲板布置，在船舶航行過(guò)程中船體受到波浪沖擊而發(fā)生彎曲變形，對(duì)過(guò)渡接頭產(chǎn)生拉伸作用，使其容易發(fā)生開(kāi)裂;焊接工藝控制不嚴(yán)格，也會(huì)出現(xiàn)焊接過(guò)程中局部結(jié)構(gòu)的過(guò)渡接頭發(fā)生開(kāi)裂。

本文提出根據(jù)過(guò)渡接頭的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度值，使甲板與鋁-鋼過(guò)渡接頭成一定角度，避免拉伸載荷方向垂直于鋁-鋼界面;對(duì)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了焊接工藝對(duì)過(guò)渡接頭界面溫度及殘余應(yīng)力的影響;研究鋁-鋼結(jié)構(gòu)中復(fù)合過(guò)渡接頭在不同角度條件下，外載荷和焊接殘余應(yīng)力二者共同作用下對(duì)復(fù)合接頭界面承載能力的影響，對(duì)確定鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 ? ? 有限元模型建立

本文所選用的船用鋁-鋼過(guò)渡接頭三層金屬材料分別為：鋁合金5083;工業(yè)純鋁1050純鋁（中間層）;D級(jí)普通船板CCSD。

5083鋁合金的主要合金元素為鎂，其可焊性好，抗拉強(qiáng)度可達(dá)350 MPa[9]，焊后接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)270 MPa，目前艦船鋁合金上層建筑大多選用鋁鎂合金建造;按照中國(guó)船級(jí)社的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一般船用結(jié)構(gòu)鋼共可分為A、B、D、E四個(gè)質(zhì)量等級(jí)，CCSD船用鋼的屈服強(qiáng)度不小于235 MPa、抗拉強(qiáng)度為400～520 MPa;CO2氣體保護(hù)焊操作方便、焊接效率高、適用范圍廣泛，現(xiàn)已成為船用鋼的主要焊接方法。中間層為工業(yè)純鋁，其抗拉強(qiáng)度為75～130 MPa。

目前船舶上應(yīng)用較多的鋁-鋼過(guò)渡接頭，通過(guò)矮的鋼圍壁與鋼結(jié)構(gòu)連接，如圖1所示。其主要包括鋁合金艙壁與船用鋼艙壁的對(duì)接、鋁制門(mén)等結(jié)構(gòu)與船用鋼艙壁的對(duì)接，因此本次試驗(yàn)將此形式作為主要研究形式，同時(shí)焊接順序?yàn)橄群附愉?、后焊接鋁。

1.1 ? 熱源模型的選擇

焊接熱源的選擇對(duì)焊接數(shù)值模擬結(jié)果的影響極為重要。考慮到熔深時(shí)一般選用雙橢球體熱源，本文鋁側(cè)焊接采用MIG焊、鋼側(cè)焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，因此選擇雙橢球熱源模型作為焊接熱源進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 ? 網(wǎng)格劃分

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理的分配，通過(guò)局部網(wǎng)格細(xì)分，以寬度24 mm、厚度28 mm的過(guò)渡接頭為例，鋁-鋼過(guò)渡接頭截面網(wǎng)格如圖2所示：最小網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm×1 mm;焊件與空氣接觸的換熱系數(shù)為60 W/（m2·K）。

2 ? ? 有限元模擬及結(jié)果分析

圖3為提取不同焊腳尺寸條件下的焊接溫度場(chǎng)云圖：過(guò)渡接頭的寬度為24 mm、厚度為28 mm;鋁合金層、中間層、鋼層厚度分別為10 mm、3 mm、15 mm。

從圖3可以看出，鋁鋼界面處溫度峰值位于過(guò)渡接頭兩端，且隨著焊腳尺寸的增大溫度峰值不斷上升。焊腳尺寸分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時(shí)，鋁-鋼界面的峰值溫度分別為221 ℃、277 ℃、296 ℃、313 ℃。

圖4為不同焊腳尺寸條件下，焊接橫向殘余應(yīng)力場(chǎng)分布云圖。從圖4可以看出：鋁-鋼界面處應(yīng)力峰值位于過(guò)渡接頭兩端，且隨著焊腳尺寸的增大應(yīng)力峰值不斷上升。焊腳尺寸分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時(shí)，鋁-鋼界面的應(yīng)力峰值分別為40 MPa、85 MPa、102 MPa、108 MPa。因此，為了有效降低鋁-鋼界面的焊接殘余應(yīng)力，需嚴(yán)格按照焊接工藝要求控制熱量輸入，將焊腳尺寸控制為3 mm。

由圖3 a）和圖4 a）可知：將焊腳尺寸控制為3 mm時(shí)，鋁-鋼界面處的峰值溫度及焊接殘余應(yīng)力均處于較低水平;但是當(dāng)拉伸外載荷與界面處的焊接殘余應(yīng)力共同作用于受焊接高溫影響的鋁-鋼界面，二者的合力超過(guò)界面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋁-鋼接頭就有可能發(fā)生開(kāi)裂。因此，本文對(duì)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載模式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 ? ?鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 ?承載模式優(yōu)化原理

圖1為目前船體復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要形式。從圖1可以看出：鋁和鋼角焊縫始終平行于鋁-鋼復(fù)合界面，四條角焊縫中縱向殘余應(yīng)力平行鋁和鋼角焊縫，對(duì)爆炸焊鋁-鋼界面處不產(chǎn)生正向拉伸應(yīng)力作用;角焊縫中橫向殘余應(yīng)力垂直鋁和鋼角焊縫，對(duì)鋁-鋼界面處產(chǎn)生拉伸作用，因此只能通過(guò)控制焊接工藝參數(shù)來(lái)降低焊接殘余應(yīng)力，進(jìn)而降低對(duì)鋁-鋼界面的拉伸作用。

根據(jù)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮通過(guò)降低外載荷的作用防止爆炸焊接頭發(fā)生開(kāi)裂因此提出優(yōu)化鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式，即避免外載荷垂直作用于鋁-鋼復(fù)合界面。如圖5所示：使外載荷方向與鋁-鋼界面成一定夾角α，將鋁-鋼界面上的拉伸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔?剪應(yīng)力狀態(tài)。圖5中σx為角焊縫橫向殘余應(yīng)力，σy為角焊縫縱向殘余應(yīng)力，σ為外載荷在鋁-鋼界面上產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。

當(dāng)夾角α發(fā)生變化時(shí)，在受到相同外載荷的條件下，垂直于界面方向上的分力大小也會(huì)發(fā)生變化。王小華[10]等人通過(guò)試驗(yàn)研究，測(cè)得鋁-鋼過(guò)渡接頭抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別為140 MPa、87 MPa。為使復(fù)合界面避免承受拉伸應(yīng)力、盡量承受剪切應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得出角度α約為31.8°，為數(shù)值模擬及后續(xù)驗(yàn)證方便，本文按30°進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 ? 數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）數(shù)值模擬

以寬度為24 mm的過(guò)渡接頭為對(duì)象，焊腳大小為3 mm，研究?jī)?yōu)化承載模式對(duì)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載能力的影響。根據(jù)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)和外載荷的特點(diǎn)，將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖6為夾角α分別為0°和30°、拉伸外載為100 MPa時(shí)，鋁-鋼過(guò)渡接頭截面應(yīng)力云圖。由圖6可以看出：鋁-鋼界面處應(yīng)力峰值位于過(guò)渡接頭中心，兩端應(yīng)力值較小;當(dāng)夾角α為0°時(shí)，鋁-鋼界面的應(yīng)力峰值為21 MPa;夾角α為30°時(shí)，鋁-鋼界面的應(yīng)力峰值為16.5 MPa，即優(yōu)化后的應(yīng)力峰值下降了27%。由此可知，在承受相同大小的拉伸外載荷時(shí)，夾角為30°時(shí)通過(guò)使外載荷方向與鋁-鋼界面成一定夾角α的方法，能夠有效降低鋁-鋼界面處的拉伸應(yīng)力。

按照焊接工藝要求對(duì)鋁合金板與鋼板焊縫坡口及兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的母材表面進(jìn)行清理，清理后立即進(jìn)行焊接，施焊時(shí)嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，保證鋁、鋼側(cè)角焊縫焊腳尺寸均為3 mm;在焊后試板的中間位置切取試樣，寬度為20 mm，避開(kāi)焊縫起弧和收弧端。

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)鋁-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，夾持位置為鋁板和鋼板兩側(cè)端頭。圖7為試驗(yàn)后的試樣照片，表1為拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)斷裂大部分發(fā)生在鋁-鋁焊縫，僅8號(hào)試樣斷裂部位位于鋁-鋁焊縫熱影響區(qū)。

通過(guò)對(duì)斷口進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)主要原因是由于鋁-鋁焊接時(shí)，鋁板與過(guò)渡接頭之間未焊透，在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)受到外載荷時(shí)，應(yīng)力集中的存在使焊接接頭的局部應(yīng)力提高，更容易發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致鋁-鋼結(jié)構(gòu)的承載能力降低;并且嚴(yán)格按照焊接工藝要求控制施焊溫度，此時(shí)過(guò)渡接頭界面的最高溫度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度受溫度影響較小，復(fù)合過(guò)渡接頭寬度為24 mm，過(guò)渡接頭處承載能力已超過(guò)鋁-鋁焊縫的承載能力，因而在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能由鋁-鋁焊縫的強(qiáng)度決定。

從表1可以看出：鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式在未優(yōu)化前，試樣的抗拉強(qiáng)度平均值為256 MPa;當(dāng)過(guò)渡接頭與外載荷垂直方向夾角α優(yōu)化為30°時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度平均值為306 kN，提高了20%。這說(shuō)明通過(guò)優(yōu)化鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載模式，將拉伸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔?剪應(yīng)力狀態(tài)，能夠有效的增強(qiáng)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載能力。

4 ? ?結(jié)論

（1）經(jīng)數(shù)值模擬，對(duì)于同一尺寸規(guī)格的過(guò)渡接頭，鋁、鋼角焊縫焊腳尺寸越大，鋁-鋼復(fù)合界面的峰值溫度和焊接殘余應(yīng)力越大;

（2）對(duì)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式進(jìn)行優(yōu)化，使鋁-鋼過(guò)渡接頭的復(fù)合界面從承受正拉伸應(yīng)力的承載模式，轉(zhuǎn)化為承受拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力的承載模式。經(jīng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，鋁-鋼過(guò)渡接頭的復(fù)合界面承受正拉伸應(yīng)力模式轉(zhuǎn)化為承受拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力模式，能夠?qū)X/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承受拉伸負(fù)荷能力提高27%;并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p承載模式后，鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度從256 MPa提高到306 MPa，承載能力提高了20%。

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