王子淵 夏勁松 李 強(qiáng)
(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(jì)研究院 上海 200011)
目前船品建造中常遇到一個(gè)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(shí)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(jìn)行焊接,不僅節(jié)省工時(shí),而且密封性能良好,船體性能得到了良好的保證。
不過,在實(shí)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(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)多次鋼鋁接頭中間層斷裂,這在船體運(yùn)行過程中是非常危險(xiǎn)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(xiàn)表明,在爆炸焊接后的中間層金屬層及鋁層強(qiáng)度特性對(duì)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(duì)此,本文從鋼鋁過渡接頭的特性出發(fā),對(duì)鋼鋁過渡接頭分層的原因進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)鋼鋁過渡接頭的焊接工藝進(jìn)行分析。
本文首先對(duì)試件進(jìn)行了非接觸式殘余應(yīng)力試驗(yàn)測量,試驗(yàn)采用了X衍射法。
基本原理是:當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí),晶面間距將發(fā)生變化,發(fā)生布拉格衍射時(shí),產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng),而且移動(dòng)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(duì)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(dá)式。由于X 射線對(duì)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(dá)式為:
ε的量值可以用衍射晶面間距的相對(duì)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(shí),為定值,稱為應(yīng)力系數(shù)。是(2)-sin2直線的斜率,對(duì)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(jì)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(shí),為拉應(yīng)力;>0 時(shí),為壓應(yīng)力;而=0 時(shí),無應(yīng)力存在。
具體試驗(yàn)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(duì)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(gè)強(qiáng)度較高、不漫散且衍射面指數(shù)較高的衍射峰作為研究對(duì)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(dá)式=·Δ2/Δsin2=·求出應(yīng)力值。
首先對(duì)試件進(jìn)行表面處理,并用X 衍射儀進(jìn)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(yàn)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
由于中間層對(duì)溫度較為敏感,故可認(rèn)為其強(qiáng)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(jì)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(dòng)態(tài)過程,從而對(duì)焊接殘余應(yīng)力以及溫度場進(jìn)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(jìn)行有限元計(jì)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(shí)體單元。由于熱力學(xué)分析要求,對(duì)于焊接區(qū)域需要超過3 個(gè)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(jì)算速度之后,對(duì)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(jì)算不畸形,又保證了中間層單元的數(shù)目。
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(hù)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(jìn)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(shí)間因素。
焊接結(jié)構(gòu)模擬主要是計(jì)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(duì)熱源模型參數(shù)進(jìn)行校核,找出與實(shí)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。
環(huán)境溫度邊界條件為20℃。對(duì)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(duì)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
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
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(duì)焊接過程中鋁層以及中間層的最大溫度進(jìn)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(shí)。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
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(yàn)殘余應(yīng)力分布基本一致,吻合精度較好,但計(jì)算值都較試驗(yàn)結(jié)果偏大。這是由于計(jì)算殘余應(yīng)力是計(jì)及剛焊接冷卻結(jié)束之后的殘余應(yīng)力,而隨著時(shí)間推移以及試件本身的加工,會(huì)釋放部分殘余應(yīng)力,所以試驗(yàn)所測殘余應(yīng)力值相對(duì)較小,見表3。
表3 試驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比MPa
對(duì)比有限元結(jié)果以及試驗(yàn)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?yàn)椴煌牧系臒崃W(xué)參數(shù)不同,鋼圍欄的焊接方式會(huì)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(duì)于焊接熱影響,由圖8 可以看出,中間層溫度高達(dá)500℃,鋁層溫度高達(dá)1 300℃。該數(shù)值較高對(duì)強(qiáng)度會(huì)有一定影響,所以鋼鋁復(fù)合接頭對(duì)于溫度的控制需要嚴(yán)格把控,工藝參數(shù)亟須優(yōu)化。
由于原試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)值,需要對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)控制。這里從焊接速度以及焊接電流兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,對(duì)兩種試件進(jìn)行焊接溫度分析,得到不同焊接速度以及焊接電流對(duì)焊接溫度以及殘余應(yīng)力的影響。
本文分別對(duì)半速焊接以及2 倍速度焊接進(jìn)行了熱力學(xué)分析計(jì)算。
對(duì)于鋼圍欄試件,當(dāng)采用15 cm/min的速度進(jìn)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(dá)到502 mPa,中間層最高溫度達(dá)到 807℃,鋁層焊接溫度達(dá)到1 602℃,均大幅升高。當(dāng)采用50 cm/min 的速度進(jìn)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(duì)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(huì)逐漸變小。這是因?yàn)楹附铀俣茸兟趩挝粫r(shí)間內(nèi),接頭所吸收到的熱量越高,溫度也會(huì)越高,所以殘余應(yīng)力也會(huì)越大??梢?,焊接速度過慢會(huì)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(duì)中間層影響較大,而隨著焊接速度變大,焊接溫度會(huì)逐漸變小。所以從溫度角度而言,對(duì)于鋼圍欄試件,需要盡量避免低速,因?yàn)榈退賹?duì)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
本文分別對(duì)50%電流與75%電流下的溫度場進(jìn)行了熱力學(xué)分析計(jì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行焊接,焊接結(jié)果見圖表??梢钥闯?,焊接電流對(duì)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(huì)逐漸變大。這是因?yàn)楹附与娏髯兇?、熱功率也變大,熱量越高、溫度也?huì)越高,所以殘余應(yīng)力也會(huì)越大。
從圖表可以看出焊接速度對(duì)鋁層溫度影響較大,隨著焊接電流變大,焊接溫度會(huì)逐漸變大。
通過計(jì)算表明:
1)建立了仿真計(jì)算方案,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,通過對(duì)比表明整個(gè)應(yīng)力分布情況吻合較好,數(shù)值接近,仿真方法真實(shí)可信。
2)焊接速度對(duì)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(duì)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。