鋼鋁復(fù)合接頭熱影響分析

王子淵 夏勁松 李 強

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 無錫 214082；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

目前船品建造中常遇到一個問題：為了減輕船體重量并提高航速，主船體采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)、上層建筑采用鋁質(zhì)結(jié)構(gòu),上層建筑與主船體采用鉚接的方法連接，并需在上層建筑的下端鉚接一定高度的鋼質(zhì)圍欄，再將鋼質(zhì)圍欄與主船體焊接。這種方法不但工作量大，而且在鉚釘鉚接處密封性不好，船在服役一段時間后易發(fā)生漏水現(xiàn)象，影響船體性能?，F(xiàn)使用鋁合金-鈦-鋼復(fù)合過渡接頭，將主船體及上層建筑與鋁合金-鈦-鋼復(fù)合過渡接頭分別進行焊接，不僅節(jié)省工時，而且密封性能良好，船體性能得到了良好的保證。

不過，在實際建造中出現(xiàn)了鋼鋁過渡接頭分層的質(zhì)量問題，直接影響船舶質(zhì)量。在實際應(yīng)用中出現(xiàn)多次鋼鋁接頭中間層斷裂，這在船體運行過程中是非常危險的。因此，研究鋼鋁復(fù)合接頭中間層斷裂原因迫在眉睫。

由于鋼鋁復(fù)合接頭是通過爆炸焊接融合在一起，其中間層收到熱影響較大。通過有關(guān)文獻表明，在爆炸焊接后的中間層金屬層及鋁層強度特性對溫度影響較為敏感，且由于其上下表面金屬剛度差異較大，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。對此，本文從鋼鋁過渡接頭的特性出發(fā)，對鋼鋁過渡接頭分層的原因進行計算分析，并對鋼鋁過渡接頭的焊接工藝進行分析。

1 鋼鋁復(fù)合接頭殘余應(yīng)力試驗

本文首先對試件進行了非接觸式殘余應(yīng)力試驗測量，試驗采用了X衍射法。

1.1 非接觸式殘余應(yīng)力測量原理

基本原理是：當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。用波長的X 射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應(yīng)的衍射角2，再求出2對sin2的斜率，便可算出應(yīng)力σ。

X 射線衍射方法主要是測試沿試樣表面某一方向上的內(nèi)應(yīng)力σ，為此需利用彈性力學(xué)理論求出σ的表達式。由于X 射線對試樣的穿入能力有限，只能探測試樣的表層應(yīng)力，這種表層應(yīng)力分布可視為二維應(yīng)力狀態(tài)，其垂直試樣的主應(yīng)力≈0(該方向的主應(yīng)變≠0)。

由此，可求得與試樣表面法向成角的應(yīng)變ε的表達式為：

ε的量值可以用衍射晶面間距的相對變化來表示，且與衍射峰位移聯(lián)系起來，即：

式中：為無應(yīng)力試樣衍射峰的布拉格角；θ為有應(yīng)力試樣衍射峰位的布拉格角。

于是將式（2）代入并求偏導(dǎo)，可得：

其中是只與材料本質(zhì)、選定衍射面的衍射指數(shù)（HKL） 有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)測量的樣品是同一種材料，而且選定的衍射面指數(shù)相同時，為定值，稱為應(yīng)力系數(shù)。是（2）-sin2直線的斜率，對同一衍射面HKL，選擇一組值（0°，15°，30°，45°），測量相應(yīng)的（2），以（2）-sin2作圖，并以最小二乘法求得斜率，就可計算出應(yīng)力（是試樣平面內(nèi)選定主應(yīng)力方向后，測得的應(yīng)力與主應(yīng)力方向的夾角）。由于<0，所以，<0 時，為拉應(yīng)力；>0 時，為壓應(yīng)力；而=0 時，無應(yīng)力存在。

1.2 殘余應(yīng)力測量試驗步驟

具體試驗步驟如下：

（1）處理試件，將試件表面以鹽水電腐蝕法，將待測量試件區(qū)域表面腐蝕1 mm 深度；

（2）對試件作70~140°范圍內(nèi)的掃描，觀察樣品的衍射峰情況，選擇一個強度較高、不漫散且衍射面指數(shù)較高的衍射峰作為研究對象峰；

（3）按照殘余應(yīng)力測量的要求，設(shè)置不同的值（0°，15°，30°，45°），以慢速掃描方式測量不同角下的單峰衍射譜；

（4）作2-sin2的關(guān)系直線，最后按應(yīng)力表達式=·Δ2/Δsin2=·求出應(yīng)力值。

1.3 殘余應(yīng)力測量試驗結(jié)果

首先對試件進行表面處理，并用X 衍射儀進行殘余應(yīng)力測量，如圖1 和圖2 所示。

圖1 表面處理

圖2 殘余應(yīng)力測量

通過試驗得到不同試件的殘余應(yīng)力結(jié)果見表1。

表1 殘余應(yīng)力結(jié)果MPa

2 焊接殘余應(yīng)力與溫度場分析

由于中間層對溫度較為敏感，故可認(rèn)為其強度的下降與復(fù)合接頭焊接有關(guān)。因此本文利用有限元的計算方法，采用了上海船舶工藝研究所（即611 所）現(xiàn)行鋼鋁復(fù)合接頭焊接方案，模擬了鋼圍欄焊接方式的鋼鋁復(fù)合接頭焊接動態(tài)過程，從而對焊接殘余應(yīng)力以及溫度場進行分析。

圖3 是鋼圍欄焊接方式的有限元模型。本文采用ABAQUS 進行有限元計算，單元類型選擇C6D8，模型范圍為200 mm。

圖3 鋼圍欄試件有限元模型

有限元模型主要選用六面體實體單元。由于熱力學(xué)分析要求，對于焊接區(qū)域需要超過3 個單元。而由于中間層較小，但是其參數(shù)非常關(guān)鍵，故在綜合考慮了網(wǎng)格尺寸大小和計算速度之后，對網(wǎng)格尺寸設(shè)定見表2。

表2 網(wǎng)格尺寸

該網(wǎng)格屬性既保證了長寬比在1∶3.3 以內(nèi)，使網(wǎng)格計算不畸形，又保證了中間層單元的數(shù)目。

2.1 載 荷

根據(jù)611 所給出的加工方案：

焊接工藝：過渡接頭與鋁合金板及不銹鋼板雙側(cè)角焊縫，過渡接頭為316L 過渡接頭。

焊接方法：氣體保護焊。

鋼一側(cè)角接：電流135~145 A，電壓18.5 V，焊接速度20~25 cm/min。

鋁一側(cè)角接：電流150~170 A，電壓20~22 V，焊接速度30~35 cm/min。

為了研究最極端的焊接熱影響，所以電流電壓參數(shù)取最大值，速度取最小值進行分析。

焊接熱源采用雙橢球熱源模型，雙橢球熱源分布函數(shù)將橢球分為前后兩部分分別定義。前半部分是1/4 橢球，后半部分是另1/4 橢球，如圖4 所示。設(shè)前半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為，后半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為，+=2，則在前半部分橢球內(nèi)熱源分布為：

圖4 雙橢球熱源

后半部分橢球內(nèi)熱源分布為：

式中：a 為前半部分軸橢球形狀參數(shù)，mm；a為后半部分軸橢球形狀參數(shù)，mm；為軸橢球形狀參數(shù)，mm；為軸橢球形狀參數(shù)；為焊接熱效率；為電弧電壓，V；為焊接電流，A；為焊接速度，cm/min；為電源滯后時間因素。

焊接結(jié)構(gòu)模擬主要是計算熱源在焊接過程中的作用。因此，關(guān)鍵是根據(jù)焊接熔池金相照片的尺寸對熱源模型參數(shù)進行校核，找出與實際相符的等效熱源參數(shù)，確定焊接熔池的精確形貌。本文中，通過測量得到焊高為6 mm，熔池截面為0.2 mm。前段長度為4 mm，后端長度為12 mm，熔池寬度為8 mm，熔池深度為8 mm，焊接采用45°斜角焊接，熱源位置延焊趾中線。

2.2 邊界條件

環(huán)境溫度邊界條件為20℃。對于鋼圍欄結(jié)構(gòu)而言，由于是先焊接鋼，后焊接鋁，所以需要先固定鋼板。對于上層建筑的施工方式而言，是先把鋼板焊接在上層建筑甲板上，然后再依次焊接接頭和上層建筑壁板。所以邊界條件約束在鋼板下端，如圖5 所示。

圖5 鋼圍欄試件邊界條件

3 計算結(jié)果

3.1 殘余應(yīng)力計算

鋼圍欄殘余應(yīng)力主要分布在中間層區(qū)域，其中中間層最大殘余應(yīng)力為309.5 mPa。鋁層最大殘余應(yīng)力在靠近中間層區(qū)域（為152.2 mPa），鋼層整體殘余應(yīng)力較小，但與下板連接處的殘余應(yīng)力較大，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在與下板連接位置，最大殘余應(yīng)力為253.7 mPa。具體應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 鋼圍欄試件殘余應(yīng)力云圖

3.2 焊接熱力學(xué)計算

最后，所有試件都是冷卻至室溫，所以最終的溫度分布都是室溫溫度，無參考意義。由于中間層和鋁層比較敏感，所以針對焊接過程中鋁層以及中間層的最大溫度進行了分析。

鋼圍欄試件鋁層溫度如圖7 所示?？梢?，鋼圍欄最高溫度出現(xiàn)在焊接上層鋁板與接頭將要結(jié)束時。由于外邊界為空氣，遠(yuǎn)低于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，所以散熱較慢，在邊界處焊接溫度較高。由于中間鈦層的比熱小于鋁層比熱系數(shù)，且離焊接區(qū)域（即熱源中心）較遠(yuǎn)，所以溫度低于鋁層。

其中中間層最高溫度為502℃，鋁層最高溫度為1 271℃。鋼圍欄試件鋁層溫度和中間層溫度分別如圖7和下頁圖8所示。

圖7 鋼圍欄試件鋁層溫度

圖8 鋼圍欄試件中間層溫度

3.3 試驗對比及結(jié)果分析

從有限元分析的殘余應(yīng)力來看，鋼鋁復(fù)合接頭在鋁層殘余應(yīng)力較小，鋼層殘余應(yīng)力較大。

該結(jié)果與試驗殘余應(yīng)力分布基本一致，吻合精度較好，但計算值都較試驗結(jié)果偏大。這是由于計算殘余應(yīng)力是計及剛焊接冷卻結(jié)束之后的殘余應(yīng)力，而隨著時間推移以及試件本身的加工，會釋放部分殘余應(yīng)力，所以試驗所測殘余應(yīng)力值相對較小，見表3。

表3 試驗與計算對比MPa

對比有限元結(jié)果以及試驗結(jié)果可以看出，應(yīng)力大小雖有變化，但應(yīng)力分布情況保持了一致，所以可以認(rèn)為該分析方法可行。因為不同材料的熱力學(xué)參數(shù)不同，鋼圍欄的焊接方式會導(dǎo)致上下兩次焊接呈反向彎曲的狀態(tài)，從而中間層受拉，產(chǎn)生較大應(yīng)力。

對于焊接熱影響，由圖8 可以看出，中間層溫度高達500℃，鋁層溫度高達1 300℃。該數(shù)值較高對強度會有一定影響，所以鋼鋁復(fù)合接頭對于溫度的控制需要嚴(yán)格把控，工藝參數(shù)亟須優(yōu)化。

4 焊接要素影響分析

由于原試件強度試驗結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)值，需要對工藝進行改進控制。這里從焊接速度以及焊接電流兩個參數(shù)進行控制，對兩種試件進行焊接溫度分析，得到不同焊接速度以及焊接電流對焊接溫度以及殘余應(yīng)力的影響。

4.1 焊接速度影響

本文分別對半速焊接以及2 倍速度焊接進行了熱力學(xué)分析計算。

對于鋼圍欄試件，當(dāng)采用15 cm/min的速度進行焊接，殘余應(yīng)力分布與原始速度相同，但是中間層的殘余應(yīng)力達到502 mPa，中間層最高溫度達到 807℃，鋁層焊接溫度達到1 602℃，均大幅升高。當(dāng)采用50 cm/min 的速度進行焊接，焊接結(jié)果如下頁的圖9 和圖10 所示。殘余應(yīng)力分布與原始速度相同，但是中間層的殘余應(yīng)力降低至251 mPa，中間層最高溫度降低至347℃，鋁層焊接溫度降低至 1 042℃，均有所下降。

從下頁的表4 和圖9 可以看出焊接速度對殘余應(yīng)力影響較大，并且隨著焊接速度變大，焊接殘余應(yīng)力會逐漸變小。這是因為焊接速度變慢，在單位時間內(nèi)，接頭所吸收到的熱量越高，溫度也會越高，所以殘余應(yīng)力也會越大?？梢?，焊接速度過慢會大大提高殘余應(yīng)力，故需盡量避免。

表4 焊接速度與殘余應(yīng)力的關(guān)系

圖9 焊接速度與殘余應(yīng)力的關(guān)系

從表5 和圖10 可以看出焊接速度對中間層影響較大，而隨著焊接速度變大，焊接溫度會逐漸變小。所以從溫度角度而言，對于鋼圍欄試件，需要盡量避免低速，因為低速對溫度影響較大。

表5 焊接速度與中間層溫度關(guān)系

圖10 焊接速度與中間層溫度關(guān)系

4.2 焊接電流影響

本文分別對50%電流與75%電流下的溫度場進行了熱力學(xué)分析計算。焊接電流與殘余應(yīng)力的關(guān)系參見表6和圖11，焊接應(yīng)力與中間層溫度的關(guān)系參見表7和下頁圖12。

圖12 焊接電流與中間層溫度的關(guān)系

表6 焊接電流與殘余應(yīng)力的關(guān)系

圖11 焊接電流與殘余應(yīng)力的關(guān)系

表7 焊接電流與中間層溫度的關(guān)系

對于鋼圍欄試件，電流采用原始電流的50%（即功率為原方案的50%）進行焊接，殘余應(yīng)力分布與原始速度相同，但是中間層的殘余應(yīng)力降低至 232 mPa，中間層最高溫度降低至302℃，鋁層焊接溫度降低至710℃，均大幅度下降。電流采用原始電流的75%（即功率為原方案的75%）進行焊接，殘余應(yīng)力分布與原始速度相同，但是中間層的殘余應(yīng)力降低至276 mPa，中間層最高溫度降低至470℃，鋁層焊接溫度降低至1 099℃，均大幅度下降。

電流采用原始電流的50%（即功率為原方案的50%）進行焊接，焊接結(jié)果見圖表。可以看出，焊接電流對殘余應(yīng)力影響較大，并且隨著焊接電流變大，焊接殘余應(yīng)力會逐漸變大。這是因為焊接電流變大、熱功率也變大，熱量越高、溫度也會越高，所以殘余應(yīng)力也會越大。

從圖表可以看出焊接速度對鋁層溫度影響較大，隨著焊接電流變大，焊接溫度會逐漸變大。

5 結(jié) 論

通過計算表明：

1）建立了仿真計算方案，與試驗結(jié)果進行了對比，通過對比表明整個應(yīng)力分布情況吻合較好，數(shù)值接近，仿真方法真實可信。

2）焊接速度對焊接溫度和焊接殘余應(yīng)力影響較大。焊接速度越低，焊接溫度越高。建議要控制焊接速度下限，提高焊接速度。

3）焊接電流對焊接溫度和焊接殘余應(yīng)力也有一定影響。焊接電流越高，焊接溫度也越高。建議降低焊接電流來降低焊接溫度。