鋁鋼復合接頭與船體結構焊接的仿真分析

(海裝武漢局駐武漢地區第一軍事代表室 湖北 武漢 430064)

前言

輕量化設計有助于減少能源消耗，節能減排，在汽車行業得到廣泛使用。在船體結構中采用輕量化設計，減輕船舶重量，可提升航速，減少能耗。鋁合金作為一種輕金屬，在船舶中廣泛應用，一些小型快艇采用全鋁殼體。對于中、大型船舶來說，為保證船體結構的穩性，抗沖擊性等性能，主體結構仍然采用鋼制殼體，其他如上層建筑、基座等采用鋁合金結構。

鋼和鋁由于材料差異較大，焊接時易形成脆性金屬間化合物等，較難焊接。船體結構上復合接頭使用量大，焊接環境復雜，且要求承載一定載荷，鋁鋼焊接接頭要求高，焊接難度大。當前，通過在內場通過爆炸焊焊成復合接頭的形式，根據現場鋁鋼連接件的形狀和尺寸裁剪成不同的形狀和尺寸，安裝于船體結構上并分別與兩側的鋼和鋁焊接，其中鋼與鋼焊接，鋁與鋁焊接，坡口形式根據結構要求選擇，連接結構形式主要有兩種，如圖1所示。

圖1 典型的船體結構與鋼-鋁復合接頭連接形式

按照當前鋁-鋼復合接頭標準，在后續機加工或焊接時鋁-鋼復合接頭界面處的溫度需低于一特定值，對于鋁-鋁-鋼復合接頭，鋁-鋼界面溫度不得高于300℃。對于鋁-鈦-鋼復合接頭，鋁-鈦界面溫度不得高于350℃。

因此，采用焊接仿真分析的手段，對船體結構與復合接頭的焊接過程進行仿真分析，制定合適工藝，保證焊接工藝滿足復合接頭界面處的溫度要求。

一、船體結構模型與焊接試驗

根據典型的船體結構，選取焊接結構形式如圖2所示，并進行焊接試驗。選用鋁-鋁-鋼復合接頭總厚度為28mm，鋼層厚度為15mm，中間鋁層為3mm。

鋁-鋁焊接采用MIG焊，鋼-鋼焊接采用80%Ar+20%CO2 MAG焊，焊接參數如表1所示的。當前條焊縫冷卻至50℃時，進行下一條焊縫焊接。在圖2中A點和B點的復合接頭界面處設置熱電偶，測量界面處的溫度，焊縫①和焊縫②焊接時，測A點的溫度，焊縫③和焊縫④焊接時，測B點的溫度。圖2中的①②③④為焊縫的焊接順序。

圖2 船體結構模型尺寸及焊縫形式

表1 焊接參數

表1中焊接線能量的計算公式為：

(1)

二、焊接有限元模型的建立

(一)計算模型的建立

模型的大小基于試驗的結構尺寸，首先由點-線-面的操作順序在SYSWELD的界面下畫出結構的橫截面，然后由得到的面劃分合適的疏密不同的面網格區間。對于簡單的對標模型可以利用上述的方法建構SYSWELD的體網格，一些復雜的船體結構模型，則是先通過CATIA或者CAD等有關軟件畫好模型之后，然后導入到SYSWELD中，此時導入的模型僅僅是2D的surface模型，在經由合適的網格劃分等操作生成計算的體網格模型。

(二)熱源模型設置

對于移動熱源法來說，熱源模型主要分為二維高斯模型，二維橢圓型模型，三維橢球形模型。當前，三維橢球形模型應用較多，也更符合熔池真實情況。

典型的橢球形模型如圖3所示。

圖3 雙橢球型焊接熱源模型

(三)材料屬性的選擇

對于模型中的不同材料，包括焊縫的填充材料都需要給予一個材料屬性，因為在計算過程中由于材料屬性不同，設置精確詳細的材料屬性有利于提高模擬結果的精度，在SYSWELD的材料屬性數據庫里，已經提供了一系列常用的材料屬性，此時選取特性相近的材料代替。

在復合接頭的對標試驗中，材料屬性設置如下表2，其中W1、W2、W3、W4分別表示屬于模型中第一、第二、第三、第四道焊縫的3D體網格部分，Steel代表著復合接頭中屬于鋼的材料以及鋼側試板的3D體網格的總和，而復合接頭屬于鋁的材料部分以及鋁側試板的體網格則構成了part AL，之所以簡化材料屬性設置的原因是因為復合接頭中的鋁，鋼等材料和試板的材料成分，屈服強度等相近，而且對于焊縫部分而言，首先其在模型中的含量占比就可以忽略，其次熔敷金屬的材料成分，強度等特性基于母材，因此可以與母材材料屬性保持一致。

表2 材料屬性與模型不同part之間的對照表

圖4模型橫截面示意

(四)參數設置

(1)對標試驗中Sysweld模擬的電流、電壓、焊速等參數與實際試驗情況相符即可。

(2)船體仿真分析時，各種參數與相關工藝參數要求一致。

(五)約束設置

本試驗約束設置比較簡單，詳情如下圖，當然僅考慮溫度的話，約束設置的意義不大。一般來說，即便是實際焊接無約束的情況，也應設置定位約束，便于結果分析。復合接頭的約束設置在鋁板的四個角，如圖5所示，共四組，每組四個點，分別加上限制XYZ方向上的剛性約束，主要目的是限制移動。

圖5 定位約束設置

(六)冷卻條件設置

在這個步驟過程中關鍵參數有兩個，環境溫度以及冷卻時間，環境溫度即室溫一般選擇20℃。冷卻時間應綜合考慮，冷卻時間過長造成的計算量大增大，冷卻時間過短會影響下一道焊縫施焊時層間溫度達不到要求等因素。

三、有限元分析過程

根據圖2中的結構形式，進行3維建模和網格劃分，對焊縫周圍的網格進行了細化處理，有限元模型如圖6所示。

采用SYSWELD軟件進行焊接仿真分析，分析過程采用移動熱源法。焊接熱源采用雙橢球形熱源模型[1,2]，橢球的長寬比默認選擇1.2。根據表1中的焊接參數設置了有限元計算時的焊接參數。約束設置在鋁板邊緣，限制焊接結構的整體移動。設置完成后，進行有限元計算，主要計算焊接熱過程。

四、焊接仿真分析結果與討論

A點測得的最大值、B點測得的最大值和對應的有限元分析結果如表3所示。

表3 有限元分析結果與試驗結果對比

通過SYSWELD仿真分析結果，A、B點隨時間變化的溫度曲線如圖7所示。

(a)A點

(b)B點

由圖7可知，A點和B點分別經歷了4次焊接熱循環。其中，A點在鋁側焊縫上方，鋁側焊縫對其溫度影響較大，峰值溫度出現在②道焊縫焊接時。①道焊縫焊接時，起始溫度為室溫。②道焊縫焊接時，A點起始溫度為50℃左右，焊接區間的溫度較①道焊縫焊接時高，散熱速度更慢，且②道焊縫的線能量更大，因此A點峰值溫度更高，與實際情況相符。

B點在鋼側焊縫下方，鋼側焊縫對其溫度影響較大，峰值溫度出現在第③道焊縫處。與A點情況不同，③道和④焊縫焊接時，其起始溫度均為50℃左右，但③道焊縫的焊接線能量更大，因此B點溫度更高，與實際情況相符。

由表2可知，有限元分析結果與實測結果吻合較好，最大溫度差不超過25℃。采用有限元方法可用來預測復合接頭與兩側結構焊接時復合接頭界面處的溫度。

五、仿真分析過程設置討論

根據鋁鋼復合接頭的標準，鋁鋼復合接頭界面處對溫度有具體要求。鋁-鋁-鋼為300℃，鋁-鈦-鋼為350℃。為了盡可能的降低界面處的溫度，以及保證一定的焊接效率，在設計焊接工藝試驗時，提出等前道焊縫冷卻至50℃再進行下一道焊接，溫度過高對下一道焊縫產生的影響相應增大，溫度過低，冷卻時間長，影響施工效率。

針對這一具體過程，在仿真分析時，需分階段來確定焊縫之間的冷卻時間間隔。首先，先只算第①道焊縫時中間復合層某個節點的溫度變化曲線，節點可以在復合層中間段任意點選取，主要是因為隨著時間的增加，溫度變化的幅度逐漸穩定，當中間復合層溫度某一個節點溫度低于試驗所暫定的50℃，復合層其余的節點溫度也差不多在這個范圍內。換個角度來講，在前后兩道焊縫焊速相差不大的情況下，任選一個試樣的橫截面，前后兩道焊縫熔池間同一橫截面上對應的時間間隔是幾乎一樣的，即每個橫截面中間復合層節點從冷卻到重新加熱的時間也幾乎相同，因此僅考慮冷卻時間間隔這一角度，復合層中間段任一節點的溫度變化曲線是具有代表性的(同一橫截面下盡管不同節點的溫度變化曲線會有很大變化，但在所選取的冷卻時間后的溫度相差幅度很小，可以忽略)。觀察測得曲線在冷卻至50℃左右的時間點，設定為下一道焊縫的時間起始點，同理，測第二條焊縫中間復合層某個節點的溫度曲線，得到第三條焊縫的時間起始點，以此類推。

模擬中不能以第一條焊縫冷卻至50℃的時間間隔來估算以后每道焊縫的時間間隔，因為剛開始焊的時候，中間復合層溫度是室溫20℃，而第二道是第一道焊完冷卻到50℃時才開始焊接，此時中間復合層溫度為50℃左右，所以第二道焊縫焊完后的時間間隔比第一道大，不過第二道焊完后的時間間隔大致上可以作為以后每道焊縫的時間間隔，因為，以后每道焊縫剛開始焊的時候，中間復合層都是50℃左右，當然這個溫度是忽略了焊接形式、材料導熱以及中間復合層和焊縫間的距離等因素來考量的。

六、結論

采用移動熱源法可以有效的分析鋁鋼復合接頭與船體結構焊接時的界面溫度，仿真分析數據與實際測量數據吻合良好。可使用其進一步對其他鋼鋁符合接頭形式的溫度分布進行分析。