全鋼三明治板的強度及失效模式的研究現狀分析

蔣小霞　張天星　劉俊萍

摘要：在美國、德國和中國分別提出“先進制造業伙伴關系（AMP）”、“工業4.0（Industry4.0）”和“中國制造2025（MadeinChina 2025）”新一輪制造業改革的浪潮下，產品輕量化理念備受關注。全鋼三明治板是一種新型輕質高強結構，在艦船輕量化領域有著廣闊的應用前景。以艦船輕量化為應用背景，主要從三明治板的結構類型、全鋼三明治板的制造方法和全鋼三明治板的強度及失效模式三方面進行綜述，發現在全鋼三明治板的強度及失效的研究中有3個方面的問題亟待解決：需盡快解決全鋼三明治板在較低載荷時接頭開裂而致使承載能力得不到充分發揮的問題；焊接接頭失效后的維護和再制造問題；探索并找尋新的結構設計及優化方法，進而開展大量試驗研究，并結合數值計算，降低總體艦船的設計風險。

關鍵詞：全鋼三明治板；強度；焊接接頭

中圖分類號：TB383.4

文獻識別碼：A

文章編號：1001-828X（2016）036-000328-02

全鋼三明治板（an Steel Sandwich Panels）是一種設計靈活、性能優異的新型輕質高強結構，不僅具有高比強度、高比剛度、沖擊性能良好和耐碰撞等優異特點，而且其結構可以模塊化設計和制造，因此近年來引起了國內外研究者的青睞。目前，國外全鋼三明治板已成功應用于船舶、汽車、建筑、橋梁等眾多領域。

全鋼三明治板屬于復合材料范疇，是一類由上、下面板以及諸如波紋型、蜂窩型、桁架型等全鋼夾芯構成的一種結構板，這種結構特征決定其力學性能具有各向異性的特點。在面板和芯板所構成的空心部分填充一些低密度的高分子材料或者泡沫金屬能進一步提升其抗沖擊，隔熱，防腐等性能。實際上，早在1950年，人們認識到金屬三明治板的“夾芯效應”，提議將其作為一種新的工業分支來發展。但因為當時的激光功率發生器十分昂貴，以致制造成本太高，市場難以接受，金屬三明治板在當時并未發展起來。直到上世紀80年代，美國海軍促進了金屬三明治結構板的發展閉。在歐洲，有關金屬三明治結構板的研究盛行于德國、英國和芬蘭等國家。

在國內，隨著科技發展和激光焊接技術的廣泛應用，哈爾濱工業大學、清華大學、華中科技大學、北京工業大學、西北工業大學、蘭州理工大學、北京航空制造工程研究所、上海交通大學、大連理工大學等科研院都有從事激光焊接制造技術研究，并取得了大量卓有成效的研究成果。岳燦甫等在綜述國外船用激光焊接波紋夾芯板的開發與應用中，指出我國除廣泛了解和掌握國外發展水平基礎外、還需開展應用研究工作，在造船工業和海軍艦艇建造中優先采用這種先進結構，以提高產品的性能水平。因此，開展高比強度、高空間節約率、模塊化程度高、制造成本低的激光焊接金屬三明治結構板的研究，并將其應用于我國的船舶、汽車、橋梁等領域將會產生重大的經濟效益和社會效益。2010年以來上海交通大學和蘭州理工大學的研究成果表明，厚面板全鋼三明治板將在艦船減重方面扮演越來越重要的角色，在剛度方面已突破文獻中提到的減重30-50%，但是其強度并未達到設計要求，原因主要是激光焊接接頭的開裂致使整個結構過早失效。本文從三明治板的結構類型、全鋼三明治板的制造方法和全鋼三明治板的強度及失效模式三個方面分析全鋼三明治板的強度研究遇到的難題，為后續進一步深入研究全鋼三明治板的失效模式奠定一定基礎。

一、金屬三明治板的結構類型

按照面板和芯板的材料不同，金屬三明治板可分為三類：全金屬（All-Metal）三明治板、混合金屬（Hybrid-Metal）三明治板和復合材料（composite）三明治板。其中全金屬三明治板是指面板和芯板都使用金屬材料，通常在海洋結構中選用鋼和鋁。根據芯部結構的特征，金屬三明治板大致可以分為3大類：波紋型、蜂窩型和桁架型。波紋型三明治板是指芯板在一個方向上進行有規律的排列，常見的波紋型夾芯有I型、v型、c型和z型等，如圖1所示。

二、全鋼三明治板的制造方法

因為全鋼三明治板的結構特性，用傳統的制造方法難以制備，因而使用激光穿透焊接技術成為制備全鋼三明治板的主要方法。其制備過程主要有：加工面板和芯板、固定工作臺、裝配面板及芯板并通過試焊、確定面板和芯板坐標和正式進行激光焊接。激光焊接具有焊接速度快，焊后變形小及易實現自動化等優點。但由于受限于激光器的功率大小，在制備厚面板的全鋼三明治板時，面板和芯板連接處的焊縫寬度會比較窄，這必將影響全鋼三明治板的力學性能。如果增加連接處的焊縫寬度，就要求使用更高功率的激光發生器，而這使很多科研單位目前還不能接受購買和維護造價高昂的大功率激光功率發生器。在此情形下，我們應探索采用激光和電弧耦合焊接、激光多道焊接和窄間隙焊接方法制備全鋼三明治板。蘭州理工大學在焊劑片約束電弧焊接制造高強鋼三明治板方面進行著大量研究。

三、全鋼三明治板的強度及失效模式

強度是全鋼三明治板結構設計中重要指標之一，當載荷達到最大承載力時，全鋼三明治結構板將不適于繼續承載變形。全鋼三明治板的強度與其失效形式密切相關。Romanoff等認為金屬三明治板失效模式主要有：屈服（Yielding）、屈曲（Buekling）和永久變形（Dent）。Kujala等認為三明治結構板的失效形式主要有：面板開裂、芯板剪切失效、整體屈曲等。不同結構、載荷和邊界條件的金屬三明治梁或板，在載荷達到最大承載力時，會以圖2所示的一種或幾種組合的形式失效。

美國早在20世紀80年代采用激光焊接的方法，有效的將薄鋼板與波紋夾心連接在一起，形成具有高強度的波紋夾心三明治鋼板（LASCOR），并將其成功用于艦船的艙壁、隔板和天線平臺等非承載部位。三明治板結構的前瞻性吸引了芬蘭、英國和德國等歐洲國家，并對Web-core型金屬三明治板進行了開發和利用。德國Meyer Werfft船廠使用激光穿透（staking Welding）的方法制造的I型金屬三明治板已經標準化生產。經研究和實踐表明，在相同極限強度下，較傳統夾芯結構相比，I型金屬三明治板的應用可以使船體結構總質量下降30%-50%。近10年來，在芬蘭，以赫爾辛基大學為主的多個科研院所，在Web-core型三明治板的制備、性能評定、應用及結構優化設計方面取得的研究成果表明激光焊接全鋼三明治板在艦船的輕量化將扮演越來越重要的角色。日本Anand等對Web-core型金屬夾層結構與常規船體結構的連接進行了疲勞強度的研究。無論是LASCOR板還是Web-core型板的成功應用都說明這類結構板在輕量化方面的獨特優勢，然而在這些研究中有關全鋼三明治板的強度和失效模式的研究工作大量展開，其原因主要是這些三明治板主要用于船體結構中的非承載部位，即滿足剛度要求。但是為了進一步減輕艦船的重量，必須采用厚面板的高強鋼制備的全鋼三明治板替代傳統加強板，有關這方面的研究在國內外已經展開，并取得了一定成果，然而值得人們更加關注的是厚面板高強鋼三明治板的強度及失效問題。

上海交通大學與蘭州理工大學于2010年，聯手對全鋼三明治板的激光焊接制造基礎進行研究。在其研究中，通過外伸梁三點彎曲試驗的方法研究了多種結構參數的全鋼三明治板的強度及失效模式，其主要結果表明焊接接頭的強度會影響三明治板結構的整體強度，尤其當焊接接頭的焊縫寬度較小時，在接頭處會形成塑性鉸，造成整體板以接頭屈服的形式失效；當焊縫寬度較小，但整體板在未達到最大在載荷時，接頭開裂，造成整體板強度結構坍塌。因此，他們將焊接接頭的失效定義為整體三明治板的失效模式之一，接頭失效包括接頭完全屈服和接頭開裂兩種情況。這在之前的研究中北沒有報道。為了得到較寬的焊縫，他們采用適當減小面板厚度，從而提高激光焊接的功率，最后獲得了性能優異的全鋼三明治板，但是因為減少了面板的厚度，整體結構的承載能力降低，其整體板的失效形式又變為面板屈曲。這些研究讓我們認識到焊接接頭是全鋼三明治板的重要構成部分，同時也是薄弱部分，在未來有關厚面板高強鋼三明治板的研究中必須加以重視。國內還有一些針對全鋼三明治板的強度問題和失效模式的研究，這些研究一方面提醒研究者對三明治板中焊接接頭的認識不能只停留在傳遞剪力的水平上，另一方面提醒研究者應該開展在少數焊接接頭局部失效后如何進行修復，即三明治板的再制造問題。

為了進一步提升制造業水平，美國、德國和我國分別提出了“先進制造業伙伴關系（AMP）”、“工業4.0（Industry4.o）”和“中國制造2025（Made in China 2025）”。在制造業新一輪改革的浪潮下，產品輕量化理念無疑會備受關注，這將促進全鋼三明治板在船舶、汽車、建筑、橋梁等諸多領域的應用，但是，提高全鋼金屬三明治板的強度，即解決焊接接頭強度所帶來的一系列問題是面臨的主要困難。在此，建議主要從焊接方法和結構設計兩方面改進：采用激光和電弧耦合焊接方法或窄間隙焊接方法；引入先進的結構設及優化計理念，從焊接接頭的強度設計出發，在解決焊接接頭、三明治板和艦船尺寸效應的前提下，進行總體結構的設計。

四、結論

為提高材料與能源的利用率，結構輕量化已成為整個制造業的一個重要突破點。其中，解決船舶的輕量化的重要途徑之一是采用全鋼三明治板替代傳統加強板。國內外有關全鋼三明治強度方面的研究表明此類結構板在艦船輕量化方面具有廣闊的應用前景，但是以下幾個方面還需引起重視：

1.為進一步減輕艦船重量，在承載部分應用厚面板的全鋼三明治板替代傳統加強板勢在必行，那么首先應解決因焊接接頭的強度問題導致整體三明治板承載能力遠遠低于設計水平；

2.應盡快開展大量有關全鋼三明治板相互之間連接、全鋼三明治板局部焊接接頭失效后的維護和再制造研究；

3.探索制造全鋼三明治板的創新工藝和先進的設計理念和結構優化方法，并開發高效智能化的組裝技術。