不同压缩工况下焊接缺陷对钎焊铝蜂窝板承载能力的影响

赵 杰，张 娟，蒋晓琴，畅舒心，肖守讷

(西南交通大学1.力学与工程学院，2.牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

0 引 言

蜂窝夹层结构作为一种复合材料，具有比强度大、比刚度高、隔音隔热效果好等优良性能，在高速列车、船舶制造、航空航天等领域应用广泛，如飞机机身及机翼、运载火箭整流罩、列车及地铁车体等部位均有应用。该结构主要由两层面板及中间一层蜂窝芯层组成，面板与芯层之间一般通过胶黏或钎焊方式连接[1-3]。当蜂窝芯层的壁与壁之间，芯层与面板之间采用钎焊连接时，其整体的力学性能较胶黏连接的高[4]。钎焊在铝蜂窝板制备方面具有非常好的应用前景。但钎焊铝蜂窝板会出现脱焊及焊接不良等焊接缺陷，影响蜂窝板的整体力学性能。因此，关于焊接缺陷对蜂窝板力学性能影响的研究很有必要。

蜂窝结构的芯层之间、面板与芯层之间的结合状态会影响蜂窝结构的完整性和承载力，而这些结合部位较易产生脱黏、脱焊等连接不良缺陷，因此许多学者针对含连接不良缺陷的蜂窝板展开了研究。GOPALAKRISHNAN等[5]基于内聚力模型对胶黏蜂窝悬臂梁结构的面芯脱黏和屈曲破坏进行了数值模拟和试验研究，发现数值模拟和试验获得的载荷-位移响应曲线的吻合性较好。AI等[6]对含随机面芯焊接缺陷的铝蜂窝结构进行了面外拉压和面内剪切仿真试验，采用细观蜂窝结构模型研究了焊接缺陷比例对蜂窝板力学性能的影响。BOUALEM等[7]对含面板开孔缺陷的蜂窝板进行了声发射监测和静态疲劳试验，分析了其载荷-位移曲线和S-N疲劳曲线。泮世东等[8]建立了基于蔡-希尔破坏准则和内聚力模型的蜂窝板模型，对含面芯层脱黏缺陷的蜂窝夹芯板在侧向压缩载荷下的破坏模式进行了预测。孔祥皓[9]对含多种制造缺陷的镍基高温合金蜂窝夹层结构在不同工况下的力学性能进行了试验和仿真，研究了各工况下制造缺陷对蜂窝夹层结构剩余强度的影响。寇东鹏等[10]通过随机移除蜂窝胞壁的有限元模型研究了芯层壁缺失对蜂窝芯层结构变形模式的影响。潘松等[11]研究了含面芯脱黏缺陷的边缘闭合蜂窝板的压缩稳定性问题，发现蜂窝板的屈曲载荷随脱黏尺寸的增大而减小。

已有研究主要集中在胶黏蜂窝板上，对焊接蜂窝板的研究较少。而目前钎焊铝蜂窝板的应用越来越多。为此，作者研究了钎焊焊接缺陷对蜂窝板受压承载能力的影响，采用数值模拟分析了脱焊数量、焊接不良缺陷位置及缺陷区域尺寸对钎焊铝蜂窝板在平压和侧压下变形和承载能力的影响，为蜂窝结构的制造和优化提供参考。

1 试验方法与结果

试验材料为青岛泰泓公司提供的钎焊铝蜂窝板，蜂窝面板材料为6A02铝合金，芯层材料为A3003铝合金，化学成分及拉伸性能分别见表1和表2。试样表面无明显缺陷，其中面板厚度为2 mm，芯层高度46 mm，芯层单层壁厚0.32 mm，双层壁厚0.64 mm，正六边形蜂窝边长为6 mm。钎焊铝蜂窝板的平压试样尺寸为94 mm×94 mm×50 mm，横向侧压试样尺寸为121 mm×60 mm×50 mm。平压和横向侧压试验分别根据GB/T 1453-2005和GB/T 1454—2005，在MTS809A/T型拉扭试验机上进行，下压速度为0.5 mm·min-1，两种工况下分别通过4组试验获得载荷-位移曲线，其中平压最大承载力的平均值为76.65 kN，横向侧压的为58.61 kN。

表1 6A02和A3003铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 6A02 and A3003 aluminum alloy (mass) %

表2 6A02和A3003铝合金的拉伸性能Table 2 Tensile properties of 6A02 and A3003 aluminum alloy

由图1可以看出：平压主要以芯层发生屈曲的方式失效；侧压的失效方式为面板和芯层的焊接处发生局部对称开裂，并伴随着开裂处面板的屈曲起皱，局部开裂焊接区域在面板屈曲的作用下，沿垂直加载方向扩展，直到开裂区贯穿蜂窝板导致失效。

图1 两种压缩工况钎焊铝蜂窝板的失效模式Fig.1 Failure modes of brazed aluminum honeycomb panel under two compression conditions:(a)flat compression and (b)lateral compression

在钎焊铝蜂窝板的制造过程中，若面板内表面的油污及过厚的氧化膜等未清洗干净，则会使钎料分布不均匀或面板与芯层之间产生较大的接触间隙，导致面板与芯层之间产生焊接不良缺陷(如气孔、夹杂物等)。当钎焊铝蜂窝板中存在面芯焊接不良缺陷时，在侧压工况下，这些缺陷区域容易发生开裂导致失效。

2 有限元建模及验证

2.1 几何模型

在ABAQUS软件中建立图2所示的平压和横向侧压钎焊铝蜂窝板的几何模型，模型尺寸与试验试样的一致。由于在平压工况下，钎焊铝蜂窝板的失效以芯层屈曲破坏为主，故平压模型仅由面板和芯层组成，不考虑面板和芯层之间的焊接层。横向侧压工况下，蜂窝板的失效由面板和芯层之间焊接处的局部开裂和面板的屈曲起皱共同导致，因此必须考虑面板和芯层之间的焊接层，焊接层厚度为0.5 mm。采用多线性各向同性硬化弹塑性本构模型进行模拟。侧压模型的焊接层采用A3003铝合金。将上、下焊接层的中间部分区域作为焊接缺陷区，将焊接缺陷区定义为延性损伤。给定损伤起始的等效塑性应变为0.001，应力三轴度为0.33，等效塑性应变速率为0；损伤演化采用位移模式，给定材料完全失效的等效塑性位移为0.003 mm，相关参数及意义见文献[9，12]，此时焊接层开始失效时所对应的等效应力为40 MPa，与文献[13]测得的A3003铝合金钎焊接头的抗拉强度相近。

图2 两种压缩工况下钎焊铝蜂窝板的几何模型Fig.2 Geometric model of brazed aluminum honeycomb panel under two compression conditions:(a)flat compression and (b)lateral compression

2.2 有限元模拟方法

图3为平压和横向侧压工况下钎焊铝蜂窝板的有限元模型。平压模型的面板和芯层在装配模块里合并成一个实例，即认为面板和芯层之间为理想连接，网格划分采用壳单元S4R，设置全局种子1 mm，下面板设置全约束，上面板受压。以一刚体板模拟加载端，施加8 mm的压缩位移，因上面板受压过程中，芯层屈曲会导致芯层壁板间的复杂接触，因此在模拟过程中建立通用接触，法向设置为硬接触属性，切向设置摩擦因数为0.2。

图3 两种压缩工况下钎焊铝蜂窝板的有限元模型Fig.3 Finite element model of brazed aluminum honeycomb panel under two compression conditions:(a)flat compression and (b)lateral compression

横向侧压模型的面板与钎焊层、芯层与钎焊层之间均采用Tie连接，网格划分采用壳单元S4R，设置全局种子1 mm，接触设置与平压模型类似，左侧端面设置全约束，右侧端面作为加载端耦合在一个参考点上，并施加8 mm的压缩位移。

2.3 有限元模型验证

图4和图1对比可以看出，模拟得到的蜂窝变形及铝蜂窝板失效模式与试验结果较为一致。

图4 两种压缩工况下钎焊铝蜂窝板的失效模拟图Fig.4 Failure simulation diagram of brazed aluminum honeycomb panel under two compression conditions:(a)flat compression and (b)lateral compression

由图5可以看出：两种压缩工况下，钎焊铝蜂窝板载荷-位移曲线的试验结果和模拟结果均较好吻合。平压过程的最大模拟载荷为82.15 kN，与试验值的相对误差为7.2%；横向侧压过程的最大模拟载荷为54.72 kN，与试验值的相对误差为6.6%。这表明建立的有限元模型能较准确地模拟钎焊铝蜂窝板的受载响应行为，故可采用该模型进一步讨论焊接缺陷对钎焊铝蜂窝板承载能力的影响。

图5 两种压缩工况下钎焊铝蜂窝板载荷-位移曲线试验结果与模拟结果对比Fig.5 Comparison of test results and simulation of load-displacement curves of brazed aluminum honeycomb panel under two compression conditions:(a)flat compression and (b)lateral compression

3 焊接缺陷对蜂窝板承载能力的影响

以横向(平行于X轴方向)蜂窝芯层壁间隔为0.25 mm来模拟芯层壁之间的脱焊缺陷，将完整的芯层壁间的焊接数量记为N0，脱焊数量记为N，则芯层壁间脱焊缺陷的比例为N/N0。在图6所示模型面上的每对箭头间设置5处芯层壁间脱焊缺陷，整个模型共有93处芯层壁间需要焊接，则脱焊缺陷比例分别为5/93，15/93，25/93，45/93。

图6 平压工况下钎焊铝蜂窝板芯层壁间脱焊设置示意Fig.6 Diagram of unsoldering between core layers wall of brazed aluminum honeycomb panel under flat compression

由图7可以看出：脱焊比例对钎焊铝蜂窝板平压变形的初始阶段(弹性阶段)几乎没有影响，而蜂窝板的最大承载力随脱焊比例的增大呈减小的趋势，脱焊比例分别为5/93，15/93，25/93，45/93时对应的最大承载力分别为81.5，80.3，79.4，75.4 kN。钎焊铝蜂窝板的芯层脱焊比例接近50%时的平压最大承载力较无缺陷的减小了8.2%，达到最大承载力后蜂窝板的承载能力快速下降。由此可见芯层壁间的脱焊会使蜂窝结构整体的平压承载能力减小，故在实际制造钎焊铝蜂窝板时，需通过优化制造工艺，以减少芯层壁间脱焊缺陷的产生。

图7 平压工况不同脱焊比例下钎焊铝蜂窝板的载荷-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of brazed aluminum honeycomb panel with different unsoldering ratios during flat compression

试验发现，钎焊铝蜂窝板在受横向侧压，发生失效时，面板与芯层之间焊接层的开裂位置是不确定的，开裂位置可能与蜂窝板制造过程中产生的焊接缺陷位置有关，而这些缺陷的位置具有随机性。故设置了如图8所示的4种焊接缺陷分布位置，模拟研究了缺陷位置对钎焊铝蜂窝板侧压承载力的影响。

图8 横向侧压工况下焊接不良缺陷4种分布位置示意Fig.8 Diagram of four distribution positions of welding defects under lateral compression

由图9可以看出：在横向侧压工况下，钎焊铝蜂窝板的整体承载能力对焊接缺陷分布位置不敏感，承载力仅在最后下降阶段出现较小的差异；不同缺陷位置的最大承载力均在55 kN左右，与试验值相近。

图9 横向侧压工况下不同焊接缺陷分布位置钎焊铝蜂窝板的载荷-位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of brazed aluminum honeycomb panel with different welding defect positions during lateral compression

图10中的缺陷尺寸分别为一列、两列、三列蜂窝芯格宽度。由图10和图11可以看出：横向侧压时，焊接缺陷区域尺寸对蜂窝板的弹性阶段和屈服后的初始阶段基本没有影响，但对蜂窝板最大承载力的影响较大；缺陷尺寸分别为一列(尺寸1)、两列(尺寸2)、三列(尺寸3)蜂窝芯格宽度时的最大承载力分别为55.56，51.19，47.90 kN，可见缺陷尺寸越大，蜂窝板的侧压最大承载力越小，结构越容易失效。模拟结果还表明，即使在缺陷尺寸为三列蜂窝芯格宽度时，蜂窝板的失效模式仍然是面板的局部屈曲，而不会出现整体屈曲的现象，说明钎焊铝蜂窝板在侧压载荷下的稳定性较好。

图10 横向侧压工况下钎焊铝蜂窝板焊接缺陷区域尺寸设置示意Fig.10 Diagram of welding defect area size of brazed aluminum honeycomb panels under lateral compression condition：(a)defect size 1;(b)defect size 2 and (c)defect size 3

图11 横向侧压工况下不同焊接缺陷区域尺寸钎焊铝蜂窝板的载荷-位移曲线Fig.11 Load-displacement curves of brazed aluminum honeycomb panel with different welding defect area size during lateral compression

4 结 论

(1)平压时，蜂窝板主要以芯层屈曲方式失效，横向侧压工况下，蜂窝板的失效由面板和芯层之间焊接处的局部开裂和面板的屈曲起皱共同导致；两种压缩工况下，蜂窝板的载荷-位移曲线的模拟结果和试验结果吻合较好，最大载荷的相对误差小于10%，模拟的失效模式与试验结果的较一致，说明建立的有限元模型能较准确地模拟钎焊铝蜂窝板的受载响应行为。

(2)平压时，芯层壁间的脱焊缺陷越多，钎焊铝蜂窝板的承载能力越小；横向侧压工况下，蜂窝板的整体承载能力对焊接缺陷的分布位置不敏感，但缺陷尺寸越大，蜂窝板的最大承载力越小；在缺陷尺寸为三列蜂窝芯格宽度时，蜂窝板侧压时的失效模式仍然是面板局部屈曲，稳定性较好。