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《焊接學(xué)報(bào)》2015年第十一期

摘要:

激光焊接i-core三明治板常用的剛度設(shè)計(jì)公式，沒(méi)有考慮接頭幾何參數(shù)的影響，在實(shí)際應(yīng)用中其準(zhǔn)確性受到影響．通過(guò)外伸三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)六種接頭幾何參數(shù)的I-core全鋼三明治板的彎曲剛度和剪切剛度進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合有限元計(jì)算，分析了接頭幾何參數(shù)對(duì)彎曲剛度和剪切剛度的影響．結(jié)果表明，增加焊縫寬度可顯著提高彎曲剛度和剪切剛度，而焊縫寬度大于60%芯板厚度后，焊縫寬度對(duì)剛度的影響減小．間隙對(duì)剛度的影響可忽略．基于此結(jié)果，對(duì)三明治板設(shè)計(jì)時(shí)常用的剛度公式進(jìn)行了修正．

關(guān)鍵詞:

激光焊接;I-core全鋼三明治;彎曲剛度;剪切剛度;接頭幾何參數(shù)

三明治板是一種由上、下面板和芯板組成的新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)．其特有的“夾芯效應(yīng)”，可為艦船減重50%、節(jié)省空間50%、降噪20%等．I-core全鋼三明治板是芯部結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單也是最具發(fā)展前景的一種三明治結(jié)構(gòu)，近年來(lái)備受國(guó)內(nèi)外研究者青睞［1－4］．彎曲剛度和剪切剛度是三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩個(gè)重要衡量指標(biāo)．針對(duì)I-core三明治板的剛度，文獻(xiàn)［5］中Lok＆Cheng等人分別提出了各自的計(jì)算公式．這些公式中都假設(shè)連接面板和芯板的接頭在幾何上是連續(xù)完整的，即“全焊縫接頭”．實(shí)際接頭具有幾何不連續(xù)特征，即焊縫寬度小于芯板厚度、面板和芯板連接處存在間隙、焊縫中心偏離芯板中心．Romanoff等人［6］發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)測(cè)量的剪切剛度比用上述公式計(jì)算的值小30%～50%，其原因認(rèn)為與接頭幾何參數(shù)有關(guān)，因此Romanoff初步提出了考慮接頭幾何參數(shù)的剪切剛度公式．為進(jìn)一步提高剛度設(shè)計(jì)公式的準(zhǔn)確性，應(yīng)首先分析接頭幾何參數(shù)對(duì)彎曲剛度和剪切剛度的影響．文中采用外伸三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法對(duì)改變接頭幾何參數(shù)的I-core全鋼三明治板的彎曲剛度和剪切剛度進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合有限元分析，研究接頭幾何參數(shù)對(duì)彎曲剛度和剪切剛度的影響．在此基礎(chǔ)上，對(duì)三明治板設(shè)計(jì)常用的剛度公式進(jìn)行修正和簡(jiǎn)化．

1試驗(yàn)及有限元模型

1．1I-core三明治板的制備及幾何尺寸試板如圖1所示，總體尺寸為1200mm×500mm×60mm，面板板厚tf和芯板板厚tw都為5mm，芯板高度hc為5mm，芯板間距s為100mm．面板和芯板材料都是BS960．試板均采用CO2激光深熔焊方法制備，焊接功率為12kW，保護(hù)氣體為99．9%的氬氣．為獲取不同接頭幾何參數(shù)的三明治板，選用2種焊接速度，每種速度下采用3種焊前表面清理方式，見(jiàn)表1．接頭典型的橫截面形貌如圖2所示．

1．2外伸三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》，設(shè)計(jì)了滿足簡(jiǎn)支條件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，示意圖見(jiàn)圖3．在簡(jiǎn)支條件下，通過(guò)在跨中加集中載荷，經(jīng)安裝在跨中和左右兩外伸端的位移傳感器(左右外伸端的位移傳感器距支座中心的距離a為跨距l(xiāng)的1/3)，測(cè)量跨中、左右外伸端撓度．根據(jù)載荷－撓度曲線，可計(jì)算彎曲剛度和剪切剛度.

1．3有限元模型借助ABAQUS有限元計(jì)算軟件，分析接頭幾何參數(shù)對(duì)三明治板彎曲剛度和剪切剛度的影響．根據(jù)試板幾何尺寸和試驗(yàn)加載條件創(chuàng)建有限元分析用幾何模型，如圖4所示．在網(wǎng)格劃分時(shí)，接頭處劃分比較精細(xì)的網(wǎng)格(最小尺寸為0．1mm×0．1mm，最大尺寸為0．1mm×0．3mm)．材料模型中，面板和芯板的彈性模量都為206GPa，泊松比為0．3，屈服強(qiáng)度為961MPa，加工硬化指數(shù)為0．16．采用位移加載方式，壓頭施加的位移為15mm．

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1接頭幾何參數(shù)對(duì)剛度的影響通過(guò)外伸三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，可同時(shí)得到載荷－跨中撓度曲線和載荷－左、右外伸端撓度曲線．圖5是典型的載荷－撓度曲線，其中實(shí)線為試驗(yàn)測(cè)定的曲線．斜率較大曲線是載荷－左外伸端撓度曲線ωL和載荷－右外伸端撓度曲線ωR，斜率較小的曲線是載荷－跨中撓度曲線ωM．可以看出，載荷－左外伸端撓度曲線ωL和載荷－右外伸端撓度曲線ωR重合，可選擇其中之一與曲線ωM來(lái)計(jì)算彎曲剛度和剪切剛度．若曲線ωL和曲線ωR不重合，則取平均值．根據(jù)載荷－撓度曲線，經(jīng)式(1)和式(2)分別計(jì)算出彎曲剛度和剪切剛度，見(jiàn)表2．可以看出，從1號(hào)到6號(hào)試板，隨著焊縫寬度增大，彎曲剛度和剪切剛度都增大，如B組試板(4號(hào)～6號(hào))比A組試板(1號(hào)～3號(hào))的彎曲剛度和剪切剛度明顯大，焊縫寬度對(duì)彎曲剛度和剪切剛度有著顯著的影響．隨著間隙的減小，彎曲剛度和剪切剛度也會(huì)增大，但增加不明顯，如A組試板的間隙從0．11mm減小到0．06mm，彎曲剛度僅增加了6%，剪切剛度僅增加了2%．通過(guò)試驗(yàn)只得到了焊縫寬度從1．38～1．73mm，間隙從0．11～0．05mm范圍的接頭幾何參數(shù)對(duì)彎曲剛度和剪切剛度的影響規(guī)律．為了全面認(rèn)識(shí)接頭幾何參數(shù)對(duì)三明治板彎曲剛度和剪切剛度的影響，對(duì)焊縫寬度在1～5mm，間隙在0．02～0．20mm范圍的三明治板進(jìn)行有限元分析．分析之前，首先對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，圖6中虛線是焊縫寬度為1.73mm、間隙為0．05mm三明治板的有限元分析得到的載荷－撓度曲線，可以看出與試驗(yàn)測(cè)定曲線比較吻合．基于試驗(yàn)驗(yàn)證模型，改變焊縫寬度和間隙，得到的彎曲剛度和剪切剛度如圖6a，b所示．可以看出，間隙對(duì)彎曲剛度和剪切剛度的影響很小，特別是當(dāng)焊縫寬度大于3mm(60%芯板厚度)以后，幾乎沒(méi)有影響．間隙對(duì)剛度的影響可忽略．焊縫寬度對(duì)彎曲剛度和剪切剛度都有顯著的影響，焊縫寬度增大，彎曲剛度和剪切剛度也明顯增大，只是當(dāng)焊縫寬度較大(大于3mm)時(shí)，彎曲剛度和剪切剛度的增加變緩．根據(jù)上述試驗(yàn)和有限分析結(jié)果，可分別歸納出焊縫寬度與彎曲剛度和剪切剛度的關(guān)系，見(jiàn)圖6c，d．其中三角形為試驗(yàn)結(jié)果，虛線為有限元分析結(jié)果．

2．2I-core三明治板常用的剛度設(shè)計(jì)公式修正目前激光焊接I-core三明治板的剛度設(shè)計(jì)公式都沒(méi)有考慮接頭幾何參數(shù)的影響，其中最常用的是Lok＆Cheng提出的彎曲剛度［5］．根據(jù)Lok＆Cheng剛度設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到的剛度(簡(jiǎn)稱Lok值)見(jiàn)圖6c，d中的點(diǎn)劃線，與試驗(yàn)值比較，彎曲剛度增大31%～62%，剪切剛度增大46%～53%;與有限元計(jì)算結(jié)果比較，當(dāng)焊縫寬度小于5mm時(shí)，其值均大于有限元分析結(jié)果，當(dāng)焊縫寬度等于5mm時(shí)，二者相符合．可見(jiàn)如果不考慮接頭幾何參數(shù)，Lok＆Cheng剛度設(shè)計(jì)公式在實(shí)際應(yīng)用中并不準(zhǔn)確．利用試驗(yàn)和有限元分析得到的焊縫寬度對(duì)彎曲剛度和剪切剛度影響規(guī)律，結(jié)合組合梁理論和材料力學(xué)的移軸公式，對(duì)Lok＆Cheng提出的彎曲剛度和剪切剛度進(jìn)行修正．用修正后的公式計(jì)算得出的剛度見(jiàn)圖6c，d中的實(shí)線，與試驗(yàn)測(cè)量值比較，二者吻合很好;與有限元計(jì)算的結(jié)果比較，得到的剛度與焊縫寬度的關(guān)系與有限元計(jì)算得到的剛度與焊縫寬度的關(guān)系一致．與Lok＆Cheng公式計(jì)算的值相比，在焊縫寬度為5mm時(shí)，即三明治板的接頭是全焊縫接頭時(shí)，修正后值與Lok值幾乎相等．因此在今后I-core三明治板剛度設(shè)計(jì)時(shí)，若考慮接頭幾何參數(shù)的影響，應(yīng)采用式(3)和式(4)．

3結(jié)論

(1)增大焊縫寬度，激光焊接I-core三明治板的彎曲剛度和剪切剛度明顯增大，但是當(dāng)焊縫寬度超過(guò)3mm(60%芯板厚度)以后，彎曲剛度和剪切剛度的增加變緩．激光焊接I-core三明治板的剛度設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮焊縫寬度的影響．(2)間隙對(duì)激光焊接I-core三明治板的彎曲剛度和剪切剛度的影響不明顯，特別在焊縫寬度大于60%芯板厚度后．激光焊接I-core三明治板的剛度設(shè)計(jì)中可忽略間隙的影響．(3)激光焊接三明治板剛度設(shè)計(jì)常用的公式因未考慮接頭實(shí)際幾何尺寸從而過(guò)高估計(jì)剛度．經(jīng)修正后的剛度公式可用于考慮焊接接頭幾何參數(shù)的I-core三明治板的剛度設(shè)計(jì)．

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作者：蔣小霞 朱亮 喬及森 吳毅雄 李鑄國(guó) 陳劍虹 單位：蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室