孫宏坤 余洋 聶黎軍 胡波 閆德俊

摘 ? ?要：基于鋁-鋼復(fù)合過渡接頭具有拉/剪強度相當?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。過渡接頭傾斜角度由復(fù)合界面處的拉伸強度與剪切強度確定。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)承受拉伸負荷能力提高27%;并經(jīng)試驗驗證，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)合過渡接頭;數(shù)值模擬;承載能力

中圖分類號：TG441.8?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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鋁-鋼過渡接頭與鋼質(zhì)船體連接時，焊接產(chǎn)生的高溫會促使鋁-鋼界面的金屬間化合物長大，經(jīng)過多次焊接熱循環(huán)后形成較厚的化合物中間層，嚴重地降低復(fù)合界面的結(jié)合強度，易發(fā)生復(fù)合界面開裂進而危害船舶的性能和安全，而且在船舶使用過程中這種安全隱患將一直存在[1-4]，因此焊接過程中鋁-鋼復(fù)合界面的最高溫度應(yīng)不超過300 ℃ [5-8]。

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

本文提出根據(jù)過渡接頭的抗拉強度和剪切強度值，使甲板與鋁-鋼過渡接頭成一定角度，避免拉伸載荷方向垂直于鋁-鋼界面;對鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的焊接過程進行模擬，分析了焊接工藝對過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復(fù)合接頭界面承載能力的影響，對確定鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式的優(yōu)化設(shè)計進行指導(dǎo)。

1 ? ? 有限元模型建立

本文所選用的船用鋁-鋼過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，抗拉強度可達350 MPa[9]，焊后接頭抗拉強度可達270 MPa，目前艦船鋁合金上層建筑大多選用鋁鎂合金建造;按照中國船級社的規(guī)范標準，一般船用結(jié)構(gòu)鋼共可分為A、B、D、E四個質(zhì)量等級，CCSD船用鋼的屈服強度不小于235 MPa、抗拉強度為400～520 MPa;CO2氣體保護焊操作方便、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，其抗拉強度為75～130 MPa。

目前船舶上應(yīng)用較多的鋁-鋼過渡接頭，通過矮的鋼圍壁與鋼結(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接、鋁制門等結(jié)構(gòu)與船用鋼艙壁的對接，因此本次試驗將此形式作為主要研究形式，同時焊接順序為先焊接鋼、后焊接鋁。

1.1 ? 熱源模型的選擇

焊接熱源的選擇對焊接數(shù)值模擬結(jié)果的影響極為重要。考慮到熔深時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氣體保護焊，因此選擇雙橢球熱源模型作為焊接熱源進行數(shù)值模擬。

1.2 ? 網(wǎng)格劃分

對網(wǎng)格進行合理的分配，通過局部網(wǎng)格細分，以寬度24 mm、厚度28 mm的過渡接頭為例，鋁-鋼過渡接頭截面網(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云圖：過渡接頭的寬度為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，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)力場分布云圖。從圖4可以看出：鋁-鋼界面處應(yīng)力峰值位于過渡接頭兩端，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，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，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，二者的合力超過界面的抗拉強度時，鋁-鋼接頭就有可能發(fā)生開裂。因此，本文對鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載模式進行了優(yōu)化設(shè)計。

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

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，對鋁-鋼界面處產(chǎn)生拉伸作用，因此只能通過控制焊接工藝參數(shù)來降低焊接殘余應(yīng)力，進而降低對鋁-鋼界面的拉伸作用。

根據(jù)鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)特點，考慮通過降低外載荷的作用防止爆炸焊接頭發(fā)生開裂因此提出優(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。

當夾角α發(fā)生變化時，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發(fā)生變化。王小華[10]等人通過試驗研究，測得鋁-鋼過渡接頭抗拉強度和剪切強度分別為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，通過計算得出角度α約為31.8°，為數(shù)值模擬及后續(xù)驗證方便，本文按30°進行優(yōu)化設(shè)計。

3.2 ? 數(shù)值模擬及試驗驗證

（1）數(shù)值模擬

以寬度為24 mm的過渡接頭為對象，焊腳大小為3 mm，研究優(yōu)化承載模式對鋁/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)的幾何特點和外載荷的特點，將三維問題簡化為二維平面應(yīng)變狀態(tài)進行分析。

圖6為夾角α分別為0°和30°、拉伸外載為100 MPa時，鋁-鋼過渡接頭截面應(yīng)力云圖。由圖6可以看出：鋁-鋼界面處應(yīng)力峰值位于過渡接頭中心，兩端應(yīng)力值較小;當夾角α為0°時，鋁-鋼界面的應(yīng)力峰值為21 MPa;夾角α為30°時，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，夾角為30°時通過使外載荷方向與鋁-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)的母材表面進行清理，清理后立即進行焊接，施焊時嚴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，避開焊縫起弧和收弧端。

（2）試驗驗證

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

通過對斷口進行觀察，發(fā)現(xiàn)主要原因是由于鋁-鋁焊接時，鋁板與過渡接頭之間未焊透，在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當受到外載荷時，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)生開裂，導(dǎo)致鋁-鋼結(jié)構(gòu)的承載能力降低;并且嚴格按照焊接工藝要求控制施焊溫度，此時過渡接頭界面的最高溫度較低，界面結(jié)合強度受溫度影響較小，復(fù)合過渡接頭寬度為24 mm，過渡接頭處承載能力已超過鋁-鋁焊縫的承載能力，因而在進行拉伸試驗時，鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學性能由鋁-鋁焊縫的強度決定。

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，試樣的抗拉強度平均值為256 MPa;當過渡接頭與外載荷垂直方向夾角α優(yōu)化為30°時，試樣的抗拉強度平均值為306 kN，提高了20%。這說明通過優(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，對于同一尺寸規(guī)格的過渡接頭，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）對鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)承載模式進行優(yōu)化，使鋁-鋼過渡接頭的復(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)承受拉伸負荷能力提高27%;并經(jīng)試驗驗證，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p承載模式后，鋁/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗拉強度從256 MPa提高到306 MPa，承載能力提高了20%。

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