船用铝合金/钢复合接头承载能力提高方法研究
发布时间：2021-07-10 10:49
船舶采用铝合金上层建筑是实现船舶结构轻量化制造的发展趋势。铝合金上层建筑与钢质船体连接的铝/钢复合结构的可靠性主要取决于铝-钢过渡接头。但由于异种金属间的物理特性差异和冶金不相容性,现使用的铝/钢复合结构在焊接制造及服役过程中,容易出现过渡接头发生开裂的重大安全隐患,严重影响船舶复合结构的安全服役性能。单纯依靠增加复合过渡接头的宽度和调控焊接工艺参数尚未解决铝/钢复合结构开裂问题,制约了复合结构的广泛应用。首先,本文基于铝-钢复合过渡接头具有拉/剪强度相当的特性,提出了船舶铝/钢复合连接结构拉-剪双承载模式,即将铝-钢过渡接头的承载模式从传统的正向拉伸承载模式改变为拉伸与剪切共同作用模式,复合过渡接头倾斜角度由复合界面处的拉伸强度与剪切强度确定（）。数值模拟研究表明,拉-剪双承载模式能够将铝/钢复合结构承受拉伸负荷能力提高27%;并经试验验证,该模式将铝/钢复合结构的抗拉应力从256 MPa提高到306 MPa,承载能力提高了20%以上。然后,通过数值模拟发现,复合连接结构角焊缝焊接时铝-钢界面处产生较高温度且温度场非均匀分布,从而导致界面抗拉强度不同程度降低,影响铝/钢复合结构可靠性...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某船铝/钢复合结构实物图
气运输船中大型铝球罐的赤道带（铝板厚200mm）与钢船体的过渡连接等。近年来，国内外研究人员展开了大量关于铝-钢复合过渡接头的相关研究，由于温度是影响复合界面结合强度的重要因素，在研究铝-钢复合过渡接头界面温度对焊后性能影响方面，Tricarico[24]等通过测量铝-钢界面金属间化合物的厚度以及界面剪切强度，研究了不同热处理条件对铝-钢爆炸焊接接头的影响。金相分析和显微硬度测量结果表明，热处理温度是影响界面结合层长大的主要因素，因为热处理温度越高，界面结合层增长的幅度越大，而热处理时间的影响不显著。图1-3热处理时间与温度对金属间化合物生长与剪切强度的影响Figure1-3.Theeffectofheattreatmenttimeandtemperatureonthegrowthandshearstrengthofintermetalliccompounds王小华[25]等为研究界面温度与界面结合强度的关系，进行模拟焊后热处理试
船用铝合金/钢复合接头承载能力提高方法研究5影响。黄健[34]等采取扩大铝-钢过渡接头的宽度(B)的方法取B≥5t，其中t为上层建筑铝板厚度，用于消除过渡接头的分层现象。但并没有给出具体的宽度值和确定方法，会存在复合过渡接头过宽或过窄问题，宽度过大，会增加船体总重量，影响船舶机动性和技术性能；宽度过小，无法满足承载能力要求。图1-4过渡接头分层现象[32]Figure1-4.Transitionjointstratification刘扣森[35-36]等则提出新型四层和五层复合过渡接头，并用铝合金TIG焊、铝合金MIG焊对铝-钢复合过渡接头与铝合金板材进行焊接，研究不同焊接方法及其工艺参数焊接复合过渡接头时的复合界面峰值温度，发现焊接时新型多层过渡接头界面峰值温度低于三层过渡接头，且新型多层过渡接头也能满足性能指标。在铝-钢复合接头界面连接形状方面，中国科学技术大学实现5083铝合金板与槽型界面钢板的爆炸焊接，利用铝合金和钢冶金结合作用及燕尾槽的挤压啮合作用实现爆炸复合，并进行拉剪性能试验，其剪切强度均大于167.6MPa，满足铝合金-钢复合板结合强度的要求[37-40]。图1-3爆炸复合板截面实物图[37]Figure1-3.Explosivecompositeplatecross-sectionphysicalmap
【参考文献】：
期刊论文
[1]爆炸焊接Al-Fe啮合界面的微观结构和力学性能（英文）[J]. 杨明,马宏昊,沈兆武,陈代果,邓永兴. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(04)
[2]船用5083铝合金变极性等离子焊接头组织和性能[J]. 闫德俊,李海洋,刘晓莉,钟美达,罗玖强,梁志敏. 稀有金属材料与工程. 2018(10)
[3]Effects of heat treatment on the intermetallic compounds and mechanical properties of the stainless steel 321–aluminum 1230 explosive-welding interface[J]. Mohammadreza Khanzadeh Gharah Shiran,Gholamreza Khalaj,Hesam Pouraliakbar,Mohamma dreza Jandaghi,Hamid Bakhtiari,Masoud Shirazi. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2017(11)
[4]某型船用铝合金-纯铝-钢复合过渡接头界面开裂微观分析[J]. 张伟,王东涛,陈斌,刘金涛,郭海霞,李亚. 材料开发与应用. 2017(04)
[5]铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接[J]. 李雪交,马宏昊,沈兆武. 爆炸与冲击. 2016(05)
[6]钢铝过渡接头的应用研究[J]. 黄健,邱文,张吉,曹云勇. 船舶与海洋工程. 2016(04)
[7]船用铝-钢复合过渡接头焊接试验研究[J]. 王小华,杨辉,辛宝,刘金涛,张保奇. 材料开发与应用. 2016(02)
[8]铝/燕尾槽钢爆炸焊接的研究[J]. 李雪交,马宏昊,沈兆武,缪广红. 含能材料. 2016(02)
[9]焊接数值模拟中热源的选用原则[J]. 谷京晨,童莉葛,黎磊,王立,尹少武,白世武. 材料导报. 2014(01)
[10]铝/钢复合过渡接头焊接温度场及性能试验研究[J]. 吴晖,李敬勇,刘扣森. 船舶工程. 2013(05)
博士论文
[1]槽型界面爆炸复合板界面效应及结合机理的研究[D]. 李雪交.中国科学技术大学 2016
[2]高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性[D]. 闫德俊.哈尔滨工业大学 2011
[3]大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用[D]. 郑振太.天津大学 2007
硕士论文
[1]船体钢铝结构过渡接头焊接工艺试验及应用研究[D]. 宋义兵.哈尔滨工程大学 2017
[2]船用钢/铝复合结构低热输入高效电弧焊接工艺机理研究[D]. 吴斌涛.哈尔滨工程大学 2015
[3]铝—钢过渡接头界面性能及其搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 仇晨龙.江苏科技大学 2015
[4]基于等承载能力原则的丁（十）字焊接接头设计[D]. 郭军礼.哈尔滨工业大学 2013
[5]高性能铝-钢爆炸复合过渡接头研制及应用研究[D]. 刘扣森.江苏科技大学 2011
[6]舰船用铝—铝—钢复合材料焊接性能研究[D]. 毛秋水.江苏科技大学 2010
[7]交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究[D]. 张丽华.大连理工大学 2008
本文编号：3275773
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某船铝/钢复合结构实物图
气运输船中大型铝球罐的赤道带（铝板厚200mm）与钢船体的过渡连接等。近年来，国内外研究人员展开了大量关于铝-钢复合过渡接头的相关研究，由于温度是影响复合界面结合强度的重要因素，在研究铝-钢复合过渡接头界面温度对焊后性能影响方面，Tricarico[24]等通过测量铝-钢界面金属间化合物的厚度以及界面剪切强度，研究了不同热处理条件对铝-钢爆炸焊接接头的影响。金相分析和显微硬度测量结果表明，热处理温度是影响界面结合层长大的主要因素，因为热处理温度越高，界面结合层增长的幅度越大，而热处理时间的影响不显著。图1-3热处理时间与温度对金属间化合物生长与剪切强度的影响Figure1-3.Theeffectofheattreatmenttimeandtemperatureonthegrowthandshearstrengthofintermetalliccompounds王小华[25]等为研究界面温度与界面结合强度的关系，进行模拟焊后热处理试
船用铝合金/钢复合接头承载能力提高方法研究5影响。黄健[34]等采取扩大铝-钢过渡接头的宽度(B)的方法取B≥5t，其中t为上层建筑铝板厚度，用于消除过渡接头的分层现象。但并没有给出具体的宽度值和确定方法，会存在复合过渡接头过宽或过窄问题，宽度过大，会增加船体总重量，影响船舶机动性和技术性能；宽度过小，无法满足承载能力要求。图1-4过渡接头分层现象[32]Figure1-4.Transitionjointstratification刘扣森[35-36]等则提出新型四层和五层复合过渡接头，并用铝合金TIG焊、铝合金MIG焊对铝-钢复合过渡接头与铝合金板材进行焊接，研究不同焊接方法及其工艺参数焊接复合过渡接头时的复合界面峰值温度，发现焊接时新型多层过渡接头界面峰值温度低于三层过渡接头，且新型多层过渡接头也能满足性能指标。在铝-钢复合接头界面连接形状方面，中国科学技术大学实现5083铝合金板与槽型界面钢板的爆炸焊接，利用铝合金和钢冶金结合作用及燕尾槽的挤压啮合作用实现爆炸复合，并进行拉剪性能试验，其剪切强度均大于167.6MPa，满足铝合金-钢复合板结合强度的要求[37-40]。图1-3爆炸复合板截面实物图[37]Figure1-3.Explosivecompositeplatecross-sectionphysicalmap
【参考文献】：
期刊论文
[1]爆炸焊接Al-Fe啮合界面的微观结构和力学性能（英文）[J]. 杨明,马宏昊,沈兆武,陈代果,邓永兴. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(04)
[2]船用5083铝合金变极性等离子焊接头组织和性能[J]. 闫德俊,李海洋,刘晓莉,钟美达,罗玖强,梁志敏. 稀有金属材料与工程. 2018(10)
[3]Effects of heat treatment on the intermetallic compounds and mechanical properties of the stainless steel 321–aluminum 1230 explosive-welding interface[J]. Mohammadreza Khanzadeh Gharah Shiran,Gholamreza Khalaj,Hesam Pouraliakbar,Mohamma dreza Jandaghi,Hamid Bakhtiari,Masoud Shirazi. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2017(11)
[4]某型船用铝合金-纯铝-钢复合过渡接头界面开裂微观分析[J]. 张伟,王东涛,陈斌,刘金涛,郭海霞,李亚. 材料开发与应用. 2017(04)
[5]铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接[J]. 李雪交,马宏昊,沈兆武. 爆炸与冲击. 2016(05)
[6]钢铝过渡接头的应用研究[J]. 黄健,邱文,张吉,曹云勇. 船舶与海洋工程. 2016(04)
[7]船用铝-钢复合过渡接头焊接试验研究[J]. 王小华,杨辉,辛宝,刘金涛,张保奇. 材料开发与应用. 2016(02)
[8]铝/燕尾槽钢爆炸焊接的研究[J]. 李雪交,马宏昊,沈兆武,缪广红. 含能材料. 2016(02)
[9]焊接数值模拟中热源的选用原则[J]. 谷京晨,童莉葛,黎磊,王立,尹少武,白世武. 材料导报. 2014(01)
[10]铝/钢复合过渡接头焊接温度场及性能试验研究[J]. 吴晖,李敬勇,刘扣森. 船舶工程. 2013(05)
博士论文
[1]槽型界面爆炸复合板界面效应及结合机理的研究[D]. 李雪交.中国科学技术大学 2016
[2]高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性[D]. 闫德俊.哈尔滨工业大学 2011
[3]大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用[D]. 郑振太.天津大学 2007
硕士论文
[1]船体钢铝结构过渡接头焊接工艺试验及应用研究[D]. 宋义兵.哈尔滨工程大学 2017
[2]船用钢/铝复合结构低热输入高效电弧焊接工艺机理研究[D]. 吴斌涛.哈尔滨工程大学 2015
[3]铝—钢过渡接头界面性能及其搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 仇晨龙.江苏科技大学 2015
[4]基于等承载能力原则的丁（十）字焊接接头设计[D]. 郭军礼.哈尔滨工业大学 2013
[5]高性能铝-钢爆炸复合过渡接头研制及应用研究[D]. 刘扣森.江苏科技大学 2011
[6]舰船用铝—铝—钢复合材料焊接性能研究[D]. 毛秋水.江苏科技大学 2010
[7]交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究[D]. 张丽华.大连理工大学 2008
本文编号：3275773
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