焊接缺陷對鋁合金板架疲勞壽命影響的試驗(yàn)分析

繆素菲，劉敬喜，劉元丹，王秀蘭

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

2中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715

3滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129

0 引 言

鋁合金因具有良好的耐腐蝕性和較高的比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在船舶結(jié)構(gòu)中使用可以減輕結(jié)構(gòu)重量，增加船舶有效載荷，提高船舶航速，所以在各類中、小型高速船舶中得到了廣泛應(yīng)用［1］。

然而，鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接由于存在熱導(dǎo)率高、易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋、表面易生成難熔的氧化膜及凹陷等問題［2-3］，在焊接工藝不當(dāng)?shù)那闆r下，會產(chǎn)生焊接缺陷（或稱焊縫缺陷），從而導(dǎo)致一系列破壞性事故［4-6］。鑒于此，元恒新［7］采用 3種不同的焊接填充材料，對常用的5083鋁合金材料開展了手工TIG（Tungsten Inert Gas）平板對焊試驗(yàn)，以研究在不同焊接材料條件下焊縫金屬組織與性能之間的關(guān)系。楊皓［8］針對含未焊透和未熔合的焊接缺陷的鋁合金焊接接頭進(jìn)行了拉伸疲勞試驗(yàn)，并基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法將不同焊接缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏剂鸭y，再將數(shù)值仿真結(jié)果與疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到了含初始裂紋缺陷的鋁合金焊接接頭的理論預(yù)測方法。Ye和Moan［9-10］則針對鋁箱加筋接頭的疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)焊縫長度增加時焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)會顯著減小，焊縫根部的應(yīng)力集中系數(shù)比焊趾上的小得多，其疲勞試驗(yàn)表明焊趾開裂是疲勞失效的主要模式。

綜上所述，雖然國內(nèi)外研究人員對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能開展了大量試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，但多集中于標(biāo)準(zhǔn)試件或焊接接頭等小尺寸試件，而鮮有針對實(shí)尺度鋁合金板架焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能開展的相關(guān)疲勞試驗(yàn)研究。

本文將以典型節(jié)點(diǎn)形式的實(shí)尺度鋁合金板架焊接結(jié)構(gòu)作為研究對象，開展焊接缺陷對疲勞壽命影響的試驗(yàn)和仿真研究。首先，加工制作一批實(shí)尺度的鋁合金板架焊接結(jié)構(gòu)，通過對板架的焊縫部位進(jìn)行X射線拍照，篩選出含與不含焊接缺陷的鋁合金板架試件；然后，對2類鋁合金板架試件開展不同載荷下的疲勞試驗(yàn)，以獲得鋁合金板架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，分析焊接缺陷對鋁合金板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響；最后，進(jìn)一步對含焊縫缺陷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，以揭示含焊縫缺陷的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋形成的機(jī)理。

1 板架概述

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?種典型節(jié)點(diǎn)形式的鋁合金板架模型，如圖1所示（圖中數(shù)值單位：mm）。該節(jié)點(diǎn)形式的板架為5083鋁合金材料，板厚6 mm，面板寬300 mm，縱骨為6083擠壓型T型材，尺寸為50 mm×50 mm×4 mm。第1種節(jié)點(diǎn)形式為單跨板架（以下稱“節(jié)點(diǎn)1板架”），第2種節(jié)點(diǎn)形式為雙跨板架（以下稱“節(jié)點(diǎn)2板架”）。連接肘板尺寸為 6 mm×120 mm×120 mm，端板厚8 mm，扶強(qiáng)材為60 mm×6 mm的扁鋼。圖2所示為實(shí)物模型。

1.2 板架試件焊縫的X射線拍照

共加工了20件鋁合金板架試件，其中節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2板架試件各10件。首先，對所有板架試件的焊縫進(jìn)行X射線拍照，從中篩選出含與不含焊縫缺陷的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2板架試件各6件；然后，通過對得到的板架焊縫X射線照片進(jìn)行分析，確定焊縫缺陷的類型，結(jié)果如表1所示。表中，節(jié)點(diǎn)1板架試件記為A1～A6，節(jié)點(diǎn)2板架試件記為B1～B6。圖3和圖4所示為試件焊縫的X射線照片。其中，圖3為完善結(jié)構(gòu)，焊縫未見（不含）焊接缺陷的X射線照片，圖4為含焊縫缺陷的X射線照片。圖4中，板架試件的焊縫缺陷主要類型為密孔、未熔合、未焊透等。

圖1 鋁合金板架模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of models for the aluminum alloy plate frame

圖2 鋁合金板架試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test models of the aluminum alloy plate frame

表1 板架試件焊縫的檢測結(jié)果Table 1 Results of weld inspection on the plate frame specimens

圖3 不含焊縫缺陷的2種節(jié)點(diǎn)板架試件的X射線圖Fig.3 X-Ray images of two types of the plate frame without defective welds

圖4 含焊縫缺陷的2種節(jié)點(diǎn)板架試件的X射線圖Fig.4 X-Ray images of two types of the plate frame with defective welds

2 板架疲勞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

圖5所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b圖。節(jié)點(diǎn)1板架試件的固定采用端部2塊端板作為試驗(yàn)邊界的支撐，通過螺栓和夾具實(shí)現(xiàn)剛性固定支撐邊界，采用半圓柱形加載頭實(shí)現(xiàn)在板架中部的加載；節(jié)點(diǎn)2板架試件兩端部固定與節(jié)點(diǎn)1板架的相同，中部肋板也通過夾具固定，以模擬肋板對殼板的支撐作用。節(jié)點(diǎn)2板架試件的兩點(diǎn)載荷通過橫梁來實(shí)現(xiàn)，其中橫梁上面板與液壓缸活塞連接，下面板與半圓柱型加載頭之間通過力傳感器連接。這一方面可以實(shí)現(xiàn)載荷的有效傳遞，另一方面也可以實(shí)時測量加載點(diǎn)的載荷大小。疲勞試驗(yàn)時，通過液壓伺服油源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載控制，而應(yīng)變數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。

2.2 疲勞試驗(yàn)

將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2板架試件各分成3組，每組各包括一個含與不含焊縫缺陷的試件。疲勞試驗(yàn)載荷大小根據(jù)板架的極限承載能力分為3級，每組試件對應(yīng)一種疲勞載荷等級，如表2所示。疲勞試驗(yàn)的加載頻率f=1～2 Hz，應(yīng)力比R=0.01。

圖5 板架試驗(yàn)工裝Fig.5 The test rigs of the plate frame

表2 疲勞試驗(yàn)載荷水平及加載頻率Table 2 Loading levels and frequencies of the fatigue test

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表3給出了不同載荷下各試件的試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，不含焊縫缺陷板架的疲勞壽命明顯高于含焊縫缺陷的板架，且隨著載荷的增加，無論是含焊縫缺陷還是不含焊縫缺陷的板架試件，疲勞壽命均下降較快。

圖6和圖7分別給出了節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2板架試件A3，A6及B1，B6的最終破壞情況，結(jié)合表1可以看出：

1）A1，A3和A5試件焊接均無焊縫缺陷，在循環(huán)載荷作用（應(yīng)力集中）下，試件跨中部位的縱骨面板因始終處于較高幅值的循環(huán)拉應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致面板首先出現(xiàn)疲勞裂紋并迅速擴(kuò)展至腹板，致使結(jié)構(gòu)失效，如圖6（a）所示。

2）A2，A4和A6試件因焊縫存在缺陷，在載荷反復(fù)作用下，靠近試件兩側(cè)的焊縫端部首先出現(xiàn)了疲勞裂紋，并沿縱骨腹板和焊縫方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，如圖7（a）所示。

3）B1，B3和B5試件焊接均無焊縫缺陷，在循環(huán)載荷作用下，試件中部肋板處縱骨剖面承受較大的端部彎矩載荷作用，因縱骨面板與中部肋板之間通過焊接固定，使得焊接處的應(yīng)力集中問題極為突出；在循環(huán)載荷作用下，焊縫端部和縱骨面板兩側(cè)端部幾乎同時出現(xiàn)疲勞裂紋，并擴(kuò)展至縱骨腹板，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，如圖6（b）所示。

4）B2，B4和B6試件焊接存在焊縫缺陷，在載荷反復(fù)作用下，縱骨腹板與外板的間斷焊焊縫出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，從而造成焊縫和縱骨腹板出現(xiàn)斷裂，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，如圖7（b）所示。

3 含焊縫缺陷的疲勞機(jī)理仿真模擬

焊接缺陷按在焊縫中的位置，可以分為面缺陷和體缺陷2大類。面缺陷位于焊縫外表面，一般用肉眼或者低倍放大鏡就可以觀察到，例如咬邊、焊瘤、弧坑、表面氣孔和裂紋等；體缺陷位于焊縫內(nèi)部，一般需用無損探傷方法或破壞性試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)，例如未焊透、未熔合、氣孔、夾渣、裂紋等。根據(jù)鋁合金板架試件焊縫的X射線檢測結(jié)果，得到試驗(yàn)板架的焊縫缺陷主要為體缺陷，包括密孔、未熔合、未焊透。

表3 不同載荷下各試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of the plate frame specimens under different loads

圖6 不含焊縫缺陷板架的失效模式Fig.6 Failure modes for the plate frame without defective welds

圖7 含焊縫缺陷的板架失效模式Fig.7 Failure modes for the plate frame with defective welds

3.1 含焊縫缺陷的局部仿真模型

為了揭示含焊縫缺陷的疲勞裂紋發(fā)生的機(jī)理，利用ABAQUS軟件建立了含上述3種焊縫缺陷的有限元模型。截取整體板架模型沿縱向的一道焊縫長作為局部仿真模型，根據(jù)X射線檢測圖模擬焊縫缺陷的形狀、尺寸、位置及數(shù)量，如圖8所示。圖8（a）～圖8（d）局部有限元模型依次表示為：無焊縫缺陷；含密孔缺陷，以半徑0.3 mm、長0.5 mm的圓柱體模擬，數(shù)量為28個，靠近焊縫外表面處；含未熔合缺陷，以半徑為0.4 mm、長5 mm的1/2圓柱體模擬，數(shù)量為3個，分布于焊縫與縱骨腹板接觸處和焊縫與外板接觸處；含未焊透缺陷，以半徑1 mm、長30 mm的1/4圓柱模擬，數(shù)量為1個，分布于焊縫2個直角邊相交處。

模擬實(shí)際板架的焊接狀態(tài)，即外板與T型縱骨之間沒有直接通過面與面連接，而是通過焊縫連接，即焊縫的2個直角平面。其中，一面與外板通過ABAQUS軟件定義Tie約束，另一面與縱骨腹板通過Tie約束連接。邊界條件設(shè)置為一端固支，另一端為參考點(diǎn)，將端面所有節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)進(jìn)行K-coupling耦合，在參考點(diǎn)上施加6 kN的+Z向集中力及600 kN·mm的-Y向彎矩（集中力和彎矩大小通過受12 kN集中力作用下的單跨梁理論計(jì)算得到），有限單元模型及邊界條件如圖9所示。

圖8 局部仿真模型Fig.8 Local simulation models

圖9 有限單元模型及邊界條件Fig.9 Finite element model and boundary conditions

3.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算3種含焊縫缺陷的局部仿真模型，得到如圖10～圖12所示的應(yīng)力云圖。將缺陷位置附近應(yīng)力值與相同位置處無焊縫缺陷的模型應(yīng)力值進(jìn)行對比，結(jié)果如表4所示。

圖10 焊縫含密孔缺陷與無焊縫缺陷的模型應(yīng)力云圖對比Fig.10 Stress contours comparison of weld seam with dense hole defect and without defect

圖11 焊縫含未熔合缺陷與無缺陷模型應(yīng)力云圖對比Fig.11 Stress contours comparison of weld seam with unfused defect and no defect

圖12 焊縫含未焊透缺陷與無焊縫缺陷模型應(yīng)力云圖對比Fig.12 Stress contours comparison of weld seam with incomplete penetration defect and without defect

表4 相同位置含與不含焊縫缺陷模型的應(yīng)力值對比Table 4 Stress comparisons of model with/without welding defects at the same location

表5所示為無焊縫缺陷模型與3種含焊縫缺陷模型仿真得到的最大等效應(yīng)力及對比。

表5 焊縫根部最大應(yīng)力值的對比Table 5 Comparison of maximum stress at the root of weld

根據(jù)圖10～圖12所示應(yīng)力分布（其中紅線所指為最大應(yīng)力處），結(jié)合表4和表5的最大應(yīng)力值對比分析，得到如下結(jié)果：

1）對于含缺陷的焊縫，缺陷附近的應(yīng)力值均大于相同位置處無缺陷的焊縫，這說明缺陷的存在使焊縫附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫附近局部應(yīng)力增加。

2）在含缺陷的焊縫附近，局部出現(xiàn)了應(yīng)力增加，從而影響到焊縫根部處的應(yīng)力水平，導(dǎo)致焊縫根部應(yīng)力增大，容易產(chǎn)生裂紋。

3）試驗(yàn)板架的3種類型焊縫缺陷對焊縫根部最大應(yīng)力值的影響作用依次為：密孔＜未熔合＜未焊透，這說明焊縫未焊透對板架結(jié)構(gòu)的危害最為嚴(yán)重。由于應(yīng)力值與缺陷的尺寸、位置及數(shù)量緊密相關(guān)，該結(jié)論僅適用于上述焊縫缺陷的分布情況，可供含類似缺陷的焊縫質(zhì)量評估時參考。

4）對于含密孔缺陷的焊縫，其根部最大應(yīng)力值與焊縫完好的根部最大應(yīng)力值相當(dāng)，這說明密孔缺陷對焊縫根部最大應(yīng)力值的影響很小。同時，密孔主要分布在靠近焊縫外表面的邊緣，與焊縫根部存在一定距離，對根部應(yīng)力水平的影響很小。與焊縫完好的相同部位的最大應(yīng)力相比，含密孔焊縫缺陷附近的最大應(yīng)力值幾乎是其的兩倍，這說明密孔的存在對焊縫本身仍具有較大影響，當(dāng)密孔數(shù)量足夠多時，不排除會造成密孔處因應(yīng)力過大而萌生裂紋，進(jìn)而使焊縫斷裂，損害板架結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

本文通過對含與不含焊接缺陷的2種節(jié)點(diǎn)形式、3種載荷水平的船用鋁合金板架結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）通過對鋁合金板架結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行X射線照射，結(jié)果表明，焊縫缺陷主要包括密孔、未焊透、未熔合、圓形缺陷等類型。

2）焊接缺陷對鋁合金板架結(jié)構(gòu)的失效模式影響較大。含焊接缺陷的鋁合金板架的疲勞失效主要是因?yàn)楹缚p端部缺陷產(chǎn)生裂紋，起裂擴(kuò)展后造成縱骨腹板發(fā)生斷裂，進(jìn)一步的局部模型仿真分析也驗(yàn)證了失效的機(jī)理。

3）不含焊接缺陷的鋁合金板架的疲勞失效與節(jié)點(diǎn)形式有關(guān)。其中，節(jié)點(diǎn)1板架試件的疲勞失效是因?yàn)橹胁靠v骨面板首先出現(xiàn)疲勞裂紋，然后引起面板斷裂并向縱骨腹板擴(kuò)展，最終造成縱骨斷裂；節(jié)點(diǎn)2板架試件的疲勞失效是因中部肋板處的縱骨面板應(yīng)力集中過大，導(dǎo)致面板出現(xiàn)疲勞裂紋并向腹板擴(kuò)展，最終造成縱骨斷裂。