船用铝/钢复合结构承载模式优化研究

孙宏坤 余洋 聂黎军 胡波 闫德俊

摘    要：基于铝-钢复合过渡接头具有拉/剪强度相当的特性，提出了船舶铝/钢复合连接结构拉-剪双承载模式，即将铝-钢过渡接头的承载模式从传统的正向拉伸改变为拉伸与剪切共同作用模式。过渡接头倾斜角度由复合界面处的拉伸强度与剪切强度确定。数值模拟研究表明，拉-剪双承载模式能够将铝/钢复合结构承受拉伸负荷能力提高27%;并经试验验证，该模式将铝/钢复合结构的抗拉应力从256 MPa提高到306 MPa，承载能力提高了20%以上。

关键词：复合过渡接头;数值模拟;承载能力

中图分类号：TG441.8                            文献标识码：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

鋁合金上层建筑通过铝-钢过渡接头与钢质船体连接时，焊接产生的高温会促使铝-钢界面的金属间化合物长大，经过多次焊接热循环后形成较厚的化合物中间层，严重地降低复合界面的结合强度，易发生复合界面开裂进而危害船舶的性能和安全，而且在船舶使用过程中这种安全隐患将一直存在[1-4]，因此焊接过程中铝-钢复合界面的最高温度应不超过300 ℃ [5-8]。

目前铝-钢复合过渡接头一般平行于甲板布置，在船舶航行过程中船体受到波浪冲击而发生弯曲变形，对过渡接头产生拉伸作用，使其容易发生开裂;焊接工艺控制不严格，也会出现焊接过程中局部结构的过渡接头发生开裂。

本文提出根据过渡接头的抗拉强度和剪切强度值，使甲板与铝-钢过渡接头成一定角度，避免拉伸载荷方向垂直于铝-钢界面;对铝/钢复合结构的焊接过程进行模拟，分析了焊接工艺对过渡接头界面温度及残余应力的影响;研究铝-钢结构中复合过渡接头在不同角度条件下，外载荷和焊接残余应力二者共同作用下对复合接头界面承载能力的影响，对确定铝/钢复合结构承载模式的优化设计进行指导。

1     有限元模型建立

本文所选用的船用铝-钢过渡接头三层金属材料分别为：铝合金5083;工业纯铝1050纯铝（中间层）;D级普通船板CCSD。

5083铝合金的主要合金元素为镁，其可焊性好，抗拉强度可达350 MPa[9]，焊后接头抗拉强度可达270 MPa，目前舰船铝合金上层建筑大多选用铝镁合金建造;按照中国船级社的规范标准，一般船用结构钢共可分为A、B、D、E四个质量等级，CCSD船用钢的屈服强度不小于235 MPa、抗拉强度为400～520 MPa;CO2气体保护焊操作方便、焊接效率高、适用范围广泛，现已成为船用钢的主要焊接方法。中间层为工业纯铝，其抗拉强度为75～130 MPa。

目前船舶上应用较多的铝-钢过渡接头，通过矮的钢围壁与钢结构连接，如图1所示。其主要包括铝合金舱壁与船用钢舱壁的对接、铝制门等结构与船用钢舱壁的对接，因此本次试验将此形式作为主要研究形式，同时焊接顺序为先焊接钢、后焊接铝。

1.1   热源模型的选择

焊接热源的选择对焊接数值模拟结果的影响极为重要。考虑到熔深时一般选用双椭球体热源，本文铝侧焊接采用MIG焊、钢侧焊接采用CO2气体保护焊，因此选择双椭球热源模型作为焊接热源进行数值模拟。

1.2   网格划分

对网格进行合理的分配，通过局部网格细分，以宽度24 mm、厚度28 mm的过渡接头为例，铝-钢过渡接头截面网格如图2所示：最小网格尺寸为1 mm×1 mm×1 mm;焊件与空气接触的换热系数为60 W/（m2·K）。

2     有限元模拟及结果分析

图3为提取不同焊脚尺寸条件下的焊接温度场云图：过渡接头的宽度为24 mm、厚度为28 mm;铝合金层、中间层、钢层厚度分别为10 mm、3 mm、15 mm。

从图3可以看出，铝钢界面处温度峰值位于过渡接头两端，且随着焊脚尺寸的增大温度峰值不断上升。焊脚尺寸分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm时，铝-钢界面的峰值温度分别为221 ℃、277 ℃、296 ℃、313 ℃。

图4为不同焊脚尺寸条件下，焊接横向残余应力场分布云图。从图4可以看出：铝-钢界面处应力峰值位于过渡接头两端，且随着焊脚尺寸的增大应力峰值不断上升。焊脚尺寸分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm时，铝-钢界面的应力峰值分别为40 MPa、85 MPa、102 MPa、108 MPa。因此，为了有效降低铝-钢界面的焊接残余应力，需严格按照焊接工艺要求控制热量输入，将焊脚尺寸控制为3 mm。

由图3 a）和图4 a）可知：将焊脚尺寸控制为3 mm时，铝-钢界面处的峰值温度及焊接残余应力均处于较低水平;但是当拉伸外載荷与界面处的焊接残余应力共同作用于受焊接高温影响的铝-钢界面，二者的合力超过界面的抗拉强度时，铝-钢接头就有可能发生开裂。因此，本文对铝/钢复合结构的承载模式进行了优化设计。

3    铝/钢复合结构承载模式优化设计

3.1  承载模式优化原理

图1为目前船体复合结构的主要形式。从图1可以看出：铝和钢角焊缝始终平行于铝-钢复合界面，四条角焊缝中纵向残余应力平行铝和钢角焊缝，对爆炸焊铝-钢界面处不产生正向拉伸应力作用;角焊缝中横向残余应力垂直铝和钢角焊缝，对铝-钢界面处产生拉伸作用，因此只能通过控制焊接工艺参数来降低焊接残余应力，进而降低对铝-钢界面的拉伸作用。

根据铝/钢复合结构特点，考虑通过降低外载荷的作用防止爆炸焊接头发生开裂因此提出优化铝/钢复合结构承载模式，即避免外载荷垂直作用于铝-钢复合界面。如图5所示：使外载荷方向与铝-钢界面成一定夹角α，将铝-钢界面上的拉伸应力状态变为拉-剪应力状态。图5中σx为角焊缝横向残余应力，σy为角焊缝纵向残余应力，σ为外载荷在铝-钢界面上产生的拉伸应力。

当夹角α发生变化时，在受到相同外载荷的条件下，垂直于界面方向上的分力大小也会发生变化。王小华[10]等人通过试验研究，测得铝-钢过渡接头抗拉强度和剪切强度分别为140 MPa、87 MPa。为使复合界面避免承受拉伸应力、尽量承受剪切应力，通过计算得出角度α约为31.8°，为数值模拟及后续验证方便，本文按30°进行优化设计。

3.2   数值模拟及试验验证

（1）数值模拟

以宽度为24 mm的过渡接头为对象，焊脚大小为3 mm，研究优化承载模式对铝/钢复合结构承载能力的影响。根据铝/钢复合结构的几何特点和外载荷的特点，将三维问题简化为二维平面应变状态进行分析。

图6为夹角α分别为0°和30°、拉伸外载为100 MPa时，铝-钢过渡接头截面应力云图。由图6可以看出：铝-钢界面处应力峰值位于过渡接头中心，两端应力值较小;当夹角α为0°时，铝-钢界面的应力峰值为21 MPa;夹角α为30°时，铝-钢界面的应力峰值为16.5 MPa，即优化后的应力峰值下降了27%。由此可知，在承受相同大小的拉伸外载荷时，夹角为30°时通过使外载荷方向与铝-钢界面成一定夹角α的方法，能够有效降低铝-钢界面处的拉伸应力。

按照焊接工艺要求对铝合金板与钢板焊缝坡口及两侧50 mm范围内的母材表面进行清理，清理后立即进行焊接，施焊时严格控制焊接工艺参数，保证铝、钢侧角焊缝焊脚尺寸均为3 mm;在焊后试板的中间位置切取试样，宽度为20 mm，避开焊缝起弧和收弧端。

（2）试验验证

对铝-钢复合结构件进行拉伸试验，夹持位置为铝板和钢板两侧端头。图7为试验后的试样照片，表1为拉伸试验结果，可见断裂大部分发生在铝-铝焊缝，仅8号试样断裂部位位于铝-铝焊缝热影响区。

通过对断口进行观察，发现主要原因是由于铝-铝焊接时，铝板与过渡接头之间未焊透，在此处产生应力集中，当受到外载荷时，应力集中的存在使焊接接头的局部应力提高，更容易发生开裂，导致铝-钢结构的承载能力降低;并且严格按照焊接工艺要求控制施焊温度，此时过渡接头界面的最高温度较低，界面结合强度受温度影响较小，复合过渡接头宽度为24 mm，过渡接头处承载能力已超过铝-铝焊缝的承载能力，因而在进行拉伸试验时，铝/钢复合结构的力学性能由铝-铝焊缝的强度决定。

从表1可以看出：铝/钢复合结构承载模式在未优化前，试样的抗拉强度平均值为256 MPa;当过渡接头与外载荷垂直方向夹角α优化为30°时，试样的抗拉强度平均值为306 kN，提高了20%。这说明通过优化铝/钢复合结构的承载模式，将拉伸应力状态变为拉-剪应力状态，能够有效的增强铝/钢复合结构的承载能力。

4    结论

（1）经数值模拟，对于同一尺寸规格的过渡接头，铝、钢角焊缝焊脚尺寸越大，铝-钢复合界面的峰值温度和焊接残余应力越大;

（2）对铝/钢复合结构承载模式进行优化，使铝-钢过渡接头的复合界面从承受正拉伸应力的承载模式，转化为承受拉伸应力和剪切应力的承载模式。经数值模拟发现，铝-钢过渡接头的复合界面承受正拉伸应力模式转化为承受拉伸应力和剪切应力模式，能够将铝/钢复合结构承受拉伸负荷能力提高27%;并经试验验证，转变为双承载模式后，铝/钢复合结构的抗拉强度从256 MPa提高到306 MPa，承载能力提高了20%。

参考文献

[1]Shiran M K G， Khalaj G， Pouraliakbar H， et al. Effects of heat treatment on the     intermetallic compounds and mechanical properties of the stainless steel 321–    aluminum 1230 explosive-welding interface[J]. International Journal of Minerals，     Metallurgy and Materials ， 2017， 24 （11） ： 1267-1277 .

[2]Ju Y J， Sun I H. Effect of heat treatment on tensile deformation characteristics     and properties of Al3003/STS439 clad composite[J]. Materials Science & Engineering     A， 2014， 596： 1-8.

[3]G H S F L Carvalho， I Galvao， R Mendes， et al.Formation of intermetallic     structures at the interface of steel-to-aluminium explosive welds[J]. Materials     Characterization， 2018，142：432-442.

[4]赵路遇， 黄维学. 铝-钢爆炸焊接过渡接头的制造和应用[J]. 材料开     发与应用， 2000， 15 （4） ： 35-39.

[5]Chao RM， Yang JM， Lay SR. Interfacial toughness for the shipboard aluminum/     steel structural transition joint[J]. Marine Structures 1997， 10： 353–62.

[6] Mousavi SAAA， Sartangi PF. Effect of post-weld heat treatment on the interface      microstructure of explosively welded titanium–stainless steel composite[J].      Materials Science and Engineering A 2008; 494： 329–36.

[7]侯发臣， 刘富国， 肖浪平. 加热温度对铝-钢复合材料组织和性能的     影响[J]. 兵器材料科学与工程， 2004（03） ： 26-29.

[8]张伟， 王东涛， 陈斌 ，等. 某型船用铝合金-纯铝-钢复合过渡接頭     界面开裂微观分析[J]. 材料开发与应用， 2017， 32（04） ： 89-94.

[9]闫德俊， 李海洋， 刘晓莉，等. 船用5083铝合金变极性等离子焊接头     组织和性能[J]. 稀有金属材料与工程， 2018， 47（10） ： 3161-3166.

[10]王小华， 杨辉， 辛宝，等. 船用铝-钢复合过渡接头焊接试验研究[J].     材料开发与应用， 2016， 31（02） ： 58-64.