Chinese Journal of Ship Research
焊接缺陷对铝合金板架疲劳寿命影响的试验分析
缪素菲，刘敬喜，刘元丹，王秀兰
缪素菲1，刘敬喜1，刘元丹2，王秀兰3
1 430074华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉2 510715中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州3 200129沪东中华造船（集团）有限公司，上海 摘 要：［目的］为研究焊接缺陷对铝合金板架结构疲劳寿命的影响，［方法］首先，利用 射线对 种节点形式 的铝合金板架试件焊缝部位进行拍照，筛选出含与不含焊接缺陷的铝合金板架，并通过对 射线图像的分析得 到铝合金焊接缺陷的主要类型；然后，在不同载荷作用下，对含与不含焊接缺陷的 种铝合金板架试件开展疲劳 ABQUAS试验，以获得铝合金板架的疲劳寿命；最后，运用 软件建立含 种焊接缺陷的板架试件的局部仿真模 型，分析和揭示含焊接缺陷板架结构失效产生的机理。［结果］试验结果表明：含焊接缺陷的试件失效是由于焊 缝端部缺陷处出现裂纹，扩展后导致纵骨腹板发生断裂；而不含焊接缺陷的试件失效与节点形式有关，均是在 循环载荷作用下纵骨面板失效产生疲劳裂纹，扩展到腹板后导致纵骨发生断裂。［结论］研究成果可为铝合金焊 接结构的疲劳寿命评估及焊接缺陷对疲劳寿命的影响提供参考。 关键词：铝合金板架；焊接缺陷；疲劳试验；断裂；X射线探伤中图分类号：U661.4 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01081
Test analysis on influence of welding defects on fatigue life of aluminum alloy plate frames
Miao Sufei1 ，Liu Jingxi 1 ，Liu Yuandan 2，Wang Xiulan3 1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering ，Huazhong University of Science and Technology ， Wuhan 430074，China 2 CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd ，Guangzhou 510715，China 3 Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.，Ltd，Shanghai 200129，China Abstract：［Objectives］ This paper aims to study the influence of welding defects on fatigue life of aluminum alloy plate frame.［Methods］Firstly，use X-ray to detect the welds of the test aluminum alloy plate frames with two gusset joints，and then select two plate frames with and without welding defects respectively. Then obtain main types of the welding defects through the analysis on the X-ray images. Then，carry out fatigue tests for these two plate frames with and without welding defects under different loads，so as to obtain the fatigue life of the plate frames. Finally，establish local FE models for the test plate frames with three types of welding defects by using ABAQUS software，and analyze and reveal the failure mechanism of the plate frames with welding defects. ［Results］ The test results show that，the failure of the test plate frame with welding defects is caused by the fracture on the longitudinal web due to the extension of the crack in the welding defect at the end of the weld；the failure of the test plate frame without welding defects，which is related to the gusset joint，is caused by the fracture on the longitudinal web due to the extension of the fatigue crack generated under the cyclic loads on the longitudinal web. ［Conclusions］This study results can provide a reference for the assessment of the fatigue life and for the influence of the welding defects on the fatigue life. Key words：aluminum alloy plate frame；welding defect；fatigue test；fracture；X-ray flaw detection
0引言
铝合金因具有良好的耐腐蚀性和较高的比强度等优点，在船舶结构中使用可以减轻结构重量，增加船舶有效载荷，提高船舶航速，所以在各类中、小型高速船舶中得到了广泛应用［1］。然而，铝合金结构的焊接由于存在热导率高、易产生气孔和热裂纹、表面易生成难熔的氧化膜及凹陷等问题［2-3］，在焊接工艺不当的情况下，会产生焊接缺陷（或称焊缝缺陷），从而导致一系列3破坏性事故［4-6］。鉴于此，元恒新［7］采用 种不同5083的焊接填充材料，对常用的 铝合金材料开展TIG（Tungsten Inert Gas）平板对焊试验，以了手工研究在不同焊接材料条件下焊缝金属组织与性能皓［8］针之间的关系。杨 对含未焊透和未熔合的焊接缺陷的铝合金焊接接头进行了拉伸疲劳试验，并基于结构应力方法将不同焊接缺陷转变为初始裂纹，再将数值仿真结果与疲劳性能试验结果进行对比分析，得到了含初始裂纹缺陷的铝合金焊接接头的理论预测方法。Ye Moan［9-10］则针对铝和箱加筋接头的疲劳性能进行了研究，结果表明，当焊缝长度增加时焊缝的应力集中系数会显著减小，焊缝根部的应力集中系数比焊趾上的小得多，其疲劳试验表明焊趾开裂是疲劳失效的主要模式。综上所述，虽然国内外研究人员对铝合金焊接结构的疲劳性能开展了大量试验和数值仿真研究，但多集中于标准试件或焊接接头等小尺寸试件，而鲜有针对实尺度铝合金板架焊接结构疲劳性能开展的相关疲劳试验研究。本文将以典型节点形式的实尺度铝合金板架焊接结构作为研究对象，开展焊接缺陷对疲劳寿 命影响的试验和仿真研究。首先，加工制作一批实尺度的铝合金板架焊接结构，通过对板架的焊X缝部位进行 射线拍照，筛选出含与不含焊接缺2陷的铝合金板架试件；然后，对 类铝合金板架试件开展不同载荷下的疲劳试验，以获得铝合金板架结构的疲劳寿命，分析焊接缺陷对铝合金板架结构疲劳寿命的影响；最后，进一步对含焊缝缺陷的结构进行仿真模拟，以揭示含焊缝缺陷的结构疲劳裂纹形成的机理。
1 板架概述 1.1 试验模型
2本文试验模型采用 种典型节点形式的铝合1 mm）。金板架模型，如图 所示（图中数值单位： 5083 6mm，该节点形式的板架为 铝合金材料，板厚300 mm，纵 6083 T面板宽 骨为 挤压型 型材，尺寸50 mm×50 mm×4 mm。第1为 种节点形式为单跨1 2板架（以下称“节点 板架”），第 种节点形式为双2跨板架（以下称“节点 板架”）。连接肘板尺寸6 mm×120 mm×120 mm，端 8mm为 板厚 ，扶强材60 mm×6 mm 2为 的扁钢。图 所示为实物模型。
1.2 板架试件焊缝的X射线拍照
20 1共加工了 件铝合金板架试件，其中节点2 10和节点 板架试件各 件。首先，对所有板架试X件的焊缝进行 射线拍照，从中筛选出含与不含1 2 6焊缝缺陷的节点 和节点 板架试件各 件；然X后，通过对得到的板架焊缝 射线照片进行分析， 1确定焊缝缺陷的类型，结果如表 所示。表中，节1 A1~A6 2点 板架试件记为 ，节点 板架试件记为B1~B6。图 3 4 X和图 所示为试件焊缝的 射线照3片。其中，图 为完善结构，焊缝未见（不含）焊接
X 4 X缺陷的 射线照片，图 为含焊缝缺陷的 射线4照片。图 中，板架试件的焊缝缺陷主要类型为密孔、未熔合、未焊透等。
2 板架疲劳试验 2.1 试验装置
5 1图 所示为试验模型安装图。节点 板架试2件的固定采用端部 块端板作为试验边界的支撑，通过螺栓和夹具实现刚性固定支撑边界，采用2半圆柱形加载头实现在板架中部的加载；节点1板架试件两端部固定与节点 板架的相同，中部肋板也通过夹具固定，以模拟肋板对壳板的支撑2作用。节点 板架试件的两点载荷通过横梁来实现，其中横梁上面板与液压缸活塞连接，下面板与半圆柱型加载头之间通过力传感器连接。这一方面可以实现载荷的有效传递，另一方面也可以实时测量加载点的载荷大小。疲劳试验时，通过液压伺服油源系统实现加载控制，而应变数据则通过数据采集系统获取。
2.2 疲劳试验
1 2 3将节点 和节点 板架试件各分成 组，每组各包括一个含与不含焊缝缺陷的试件。疲劳试验3载荷大小根据板架的极限承载能力分为 级，每2组试件对应一种疲劳载荷等级，如表 所示。疲劳=1~2 Hz，应力比R=0.01。试验的加载频率f
（b）节点2板架图5 板架试验工装Fig.5 The test rigs of the plate frame
2.3 试验结果分析
3表 给出了不同载荷下各试件的试验结果。3从表 可以看出，不含焊缝缺陷板架的疲劳寿命 明显高于含焊缝缺陷的板架，且随着载荷的增加，无论是含焊缝缺陷还是不含焊缝缺陷的板架试件，疲劳寿命均下降较快。6 7 1 2图 和图 分别给出了节点 和节点 板架试A3，A6 B1，B6 1可件 及 的最终破坏情况，结合表以看出： 1）A1，A3 A5和 试件焊接均无焊缝缺陷，在循环载荷作用（应力集中）下，试件跨中部位的纵骨面板因始终处于较高幅值的循环拉应力状态，导致面板首先出现疲劳裂纹并迅速扩展至腹板， 6（a）所示。致使结构失效，如图2）A2，A4 A6和 试件因焊缝存在缺陷，在载荷反复作用下，靠近试件两侧的焊缝端部首先出现了疲劳裂纹，并沿纵骨腹板和焊缝方向扩展，最7（a）所示。终导致结构失效，如图3）B1，B3 B5和 试件焊接均无焊缝缺陷，在循环载荷作用下，试件中部肋板处纵骨剖面承受较大的端部弯矩载荷作用，因纵骨面板与中部肋板之间通过焊接固定，使得焊接处的应力集中问题极为突出；在循环载荷作用下，焊缝端部和纵骨面板两侧端部几乎同时出现疲劳裂纹，并扩展至纵6（b）所示。骨腹板，导致结构失效，如图4）B2，B4 B6和 试件焊接存在焊缝缺陷，在载荷反复作用下，纵骨腹板与外板的间断焊焊缝出现裂纹并扩展，从而造成焊缝和纵骨腹板出现断7（b）所示。裂，最终导致结构失效，如图
3 含焊缝缺陷的疲劳机理仿真模拟
焊接缺陷按在焊缝中的位置，可以分为面缺2陷和体缺陷 大类。面缺陷位于焊缝外表面，一般用肉眼或者低倍放大镜就可以观察到，例如咬边、焊瘤、弧坑、表面气孔和裂纹等；体缺陷位于焊缝内部，一般需用无损探伤方法或破坏性试验才
能发现，例如未焊透、未熔合、气孔、夹渣、裂纹X等。根据铝合金板架试件焊缝的 射线检测结果，得到试验板架的焊缝缺陷主要为体缺陷，包括密孔、未熔合、未焊透。
3.1 含焊缝缺陷的局部仿真模型
为了揭示含焊缝缺陷的疲劳裂纹发生的机ABAQUS 3理，利用 软件建立了含上述 种焊缝缺陷的有限元模型。截取整体板架模型沿纵向的一X道焊缝长作为局部仿真模型，根据 射线检测图8模拟焊缝缺陷的形状、尺寸、位置及数量，如图8 a ~ 8 d所示。图（ ） 图 （ ）局部有限元模型依次表示0.3 mm、长为：无焊缝缺陷；含密孔缺陷，以半径0.5 mm 28的圆柱体模拟，数量为 个，靠近焊缝外0.4 mm、长5mm表面处；含未熔合缺陷，以半径为1/2 3的 圆柱体模拟，数量为 个，分布于焊缝与纵骨腹板接触处和焊缝与外板接触处；含未焊透缺1mm 30 mm 1/4陷，以半径 、长 的 圆柱模拟，数量1 2为 个，分布于焊缝 个直角边相交处。T模拟实际板架的焊接状态，即外板与 型纵骨之间没有直接通过面与面连接，而是通过焊缝2连接，即焊缝的 个直角平面。其中，一面与外板ABAQUS Tie通过 软件定义 约束，另一面与纵骨腹Tie板通过 约束连接。边界条件设置为一端固支，另一端为参考点，将端面所有节点与参考点进行K-coupling 6kN的+Z耦合，在参考点上施加 向集中600 kN·mm的-Y力及 向弯矩（集中力和弯矩大小12 kN通过受 集中力作用下的单跨梁理论计算得
9到），有限单元模型及边界条件如图 所示。
3.2 仿真结果分析
3通过仿真计算 种含焊缝缺陷的局部仿真模10~图 12型，得到如图 所示的应力云图。将缺陷位置附近应力值与相同位置处无焊缝缺陷的模型4应力值进行对比，结果如表 所示。
10~图 12根据图 所示应力分布（其中红线所4 5指为最大应力处），结合表 和表 的最大应力值对比分析，得到如下结果： 1）对于含缺陷的焊缝，缺陷附近的应力值均大于相同位置处无缺陷的焊缝，这说明缺陷的存在使焊缝附近出现了应力集中，导致焊缝附近局部应力增加。2）在含缺陷的焊缝附近，局部出现了应力增加，从而影响到焊缝根部处的应力水平，导致焊缝根部应力增大，容易产生裂纹。3）试验板架的3种类型焊缝缺陷对焊缝根部最大应力值的影响作用依次为：密孔<未熔合<未焊透，这说明焊缝未焊透对板架结构的危害最为严重。由于应力值与缺陷的尺寸、位置及数量紧密相关，该结论仅适用于上述焊缝缺陷的分布情况，可供含类似缺陷的焊缝质量评估时参考。4）对于含密孔缺陷的焊缝，其根部最大应力值与焊缝完好的根部最大应力值相当，这说明密孔缺陷对焊缝根部最大应力值的影响很小。同时，密孔主要分布在靠近焊缝外表面的边缘，与焊缝根部存在一定距离，对根部应力水平的影响很小。与焊缝完好的相同部位的最大应力相比，含密孔焊缝缺陷附近的最大应力值几乎是其的两倍，这说明密孔的存在对焊缝本身仍具有较大影响，当密孔数量足够多时，不排除会造成密孔处因应力过大而萌生裂纹，进而使焊缝断裂，损害板架结构。
4结论
2本文通过对含与不含焊接缺陷的 种节点形3式、种载荷水平的船用铝合金板架结构试件进行疲劳试验研究，得到如下结论： 1 X ）通过对铝合金板架结构焊缝进行 射线照射，结果表明，焊缝缺陷主要包括密孔、未焊透、未熔合、圆形缺陷等类型。2）焊接缺陷对铝合金板架结构的失效模式影响较大。含焊接缺陷的铝合金板架的疲劳失效主要是因为焊缝端部缺陷产生裂纹，起裂扩展后造成纵骨腹板发生断裂，进一步的局部模型仿真分析也验证了失效的机理。3）不含焊接缺陷的铝合金板架的疲劳失效1与节点形式有关。其中，节点 板架试件的疲劳失效是因为中部纵骨面板首先出现疲劳裂纹，然后引起面板断裂并向纵骨腹板扩展，最终造成纵2骨断裂；节点 板架试件的疲劳失效是因中部肋板处的纵骨面板应力集中过大，导致面板出现疲 劳裂纹并向腹板扩展，最终造成纵骨断裂。
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