艦船電子裝備鋁合金構(gòu)件焊接應(yīng)力分析

艦船電子裝備鋁合金構(gòu)件焊接應(yīng)力分析

在設(shè)計和制造過程中，有必要設(shè)計和制作不同要求的鋁條件，以用作不同的零件。結(jié)構(gòu)件在設(shè)計、制造和使用過程中,特別是密閉或高強度要求的大型結(jié)構(gòu)件,需要進(jìn)行焊接加工、螺栓固定安裝等。因此,在焊接、安裝過程中工藝規(guī)范不合理或控制不嚴(yán)會余留大量焊接應(yīng)力和安裝應(yīng)力,加上高溫、高濕和高鹽霧等特殊工作環(huán)境因素造成材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋,結(jié)構(gòu)件強度或密閉件密閉性降低而存在質(zhì)量隱患。如何避免應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝控制等方面入手。1給出電壓侵蝕的機理和特征1.1材料的腐蝕宏觀引起應(yīng)力腐蝕裂紋金屬或合金在應(yīng)力,特別是拉伸應(yīng)力的作用下,同時又處在特定的腐蝕環(huán)境中(例如在有氯化物、海洋氣氛、氯化鈉和雙氧水混合水溶液等特定環(huán)境),材料雖然在外觀上沒有發(fā)生全面腐蝕或明顯變形等,但實際上卻產(chǎn)生了延遲破裂現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕裂紋。事實上,在全面腐蝕較嚴(yán)重的情形下反而不易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,應(yīng)力腐蝕裂紋是無明顯外觀變化的,發(fā)展迅速且很難預(yù)測,具有極大的危險性。1.2應(yīng)力腐蝕裂紋和氫脆裂紋人們通常所說的應(yīng)力腐蝕是針對其廣義范疇,而實際應(yīng)力腐蝕裂紋一般分為狹義的應(yīng)力腐蝕裂紋和氫脆裂紋,兩者現(xiàn)象相同但實際上有本質(zhì)區(qū)別。應(yīng)力腐蝕裂紋是指金屬材料在特定的腐蝕環(huán)境中,受到應(yīng)力作用,沿著金屬內(nèi)微觀路徑在有限范圍內(nèi)發(fā)生腐蝕而出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象;氫脆裂紋是指金屬材料受到應(yīng)力作用,由于腐蝕反應(yīng)的產(chǎn)出物——氫被金屬吸收,積聚在金屬的晶粒界面,產(chǎn)生巨大壓力產(chǎn)生氫蝕脆化,出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕裂紋和氫脆裂紋兩者可以用腐蝕環(huán)境加上應(yīng)力的再現(xiàn)方法、電化學(xué)方法或音響鑒別方法等進(jìn)行鑒別。其中,氫脆裂紋屬于機械性破壞,有聲響,而應(yīng)力腐蝕裂紋是金屬溶解造成的破壞,不會發(fā)生音響。在實際運用中,應(yīng)力腐蝕裂紋很復(fù)雜,在大多數(shù)情況下對兩者不進(jìn)行區(qū)別,一律看作廣義的應(yīng)力腐蝕裂紋。1.3受害人受應(yīng)力腐蝕缺陷的機械特征和影響因素1.3.1腐蝕電池滲出產(chǎn)生裂紋的機理金屬材料或合金并不是在所有的腐蝕環(huán)境中都能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的,需要不同的腐蝕環(huán)境。隨著金屬材料、合金的廣泛運用與人們對應(yīng)力腐蝕裂紋的認(rèn)知,目前,對應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生主要有機械化學(xué)效應(yīng)、閉塞電池理論、表面膜理論和氫脆理論4種理論研究。1)機械效應(yīng)理論認(rèn)為,金屬材料在應(yīng)力作用下于應(yīng)力集中的地方迅速變形而成為腐蝕電池的陽極區(qū),與金屬表面腐蝕電池的陰極區(qū)構(gòu)成小陽極大陰極,使金屬沿特定的狹窄區(qū)域迅速溶解開裂。2)閉塞電池理論認(rèn)為,某些幾何因素使金屬裂紋引發(fā)處由于電解液流動不暢形成閉塞電池,此處為陽極,其它地方為陰極,閉塞區(qū)內(nèi)的金屬緩慢溶解。之后,自催化作用使金屬加速溶解,產(chǎn)生裂紋。3)表面膜理論認(rèn)為,金屬表面膜在應(yīng)力作用下受到破壞,露出新表面,新表面因與有保護(hù)膜部分存在電位差異而構(gòu)成腐蝕電池陽極,發(fā)生溶解形成裂紋源,加之應(yīng)力集中,使裂紋進(jìn)一步發(fā)展。4)氫脆理論認(rèn)為,金屬在應(yīng)力作用下腐蝕生成的氫被金屬吸收,產(chǎn)生氫應(yīng)變鐵素體或高活性氫化物,使金屬材料脆化而出現(xiàn)裂紋,并沿氫脆部位向前擴(kuò)展導(dǎo)致破裂。1.3.2應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)力腐蝕有自己的顯著特征,與全面腐蝕、縫隙腐蝕、孔蝕不同。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的金屬材料主要是合金,純金屬較少。引起應(yīng)力腐蝕裂紋的主要是拉應(yīng)力,壓應(yīng)力雖能引起應(yīng)力腐蝕,但并不明顯。應(yīng)力腐蝕裂紋呈枯枝狀、鋸齒狀,其走向為垂直應(yīng)力方向。應(yīng)力腐蝕裂紋根據(jù)金屬材料所處的腐蝕環(huán)境,可以分為晶向型、穿晶型或混合型。1.3.3應(yīng)力腐蝕引起的拉格朗日化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)力腐蝕,是由原材料中所含的雜質(zhì)或在各工序中經(jīng)過分解、合成等過程生成的腐蝕性成分造成的。例如,原材料中有硫、硫化物、氯化鈉和氯化錳等無機鹽、脂環(huán)酸、氮化合物等雜質(zhì);為防止腐蝕所加入的堿,再生重整等過程中使用的催化劑,也是引起應(yīng)力腐蝕裂紋物質(zhì)的一種。因此,電子裝備處在高溫、高濕和高鹽霧的海洋氣氛環(huán)境,合金結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)過程中帶有硫化物等雜質(zhì),毫無疑問具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的化學(xué)因素。2儲液室裂縫故障及模擬分析2.1儲液箱內(nèi)部裂紋的分布儲液箱為鋁合金材質(zhì),在使用過程中,發(fā)現(xiàn)不同批次共計6個都有不同程度的漏液,導(dǎo)致漏液的裂紋如圖1所示,存在以下特點。1)裂紋集中發(fā)生在基材螺栓孔處且垂直貫通焊縫,遠(yuǎn)離焊縫及固定區(qū)域沒有任何裂紋;2)大多數(shù)裂紋方向垂直于焊縫呈內(nèi)方向發(fā)展的趨勢,從裂紋趨勢可以看出基材先開裂后延伸并通過焊縫;3)裂紋主要發(fā)生在與儲液箱底部支撐加強結(jié)構(gòu)中間,即螺栓開孔薄弱區(qū)域;4)裂紋尖部很尖且有錯叉(符合應(yīng)力腐蝕特征,同時排除由于疲勞破壞產(chǎn)生裂紋);5)從斷口看不到塑性變形過程,屬于脆性斷口。2.2儲液室故障分析儲液箱漏液主要原因是基材和焊縫產(chǎn)生裂紋,下面從結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、工藝和環(huán)境4個方面著手分析原因。2.2.1儲液室結(jié)構(gòu)分析儲液箱為一個整體采用鋁板焊接的六面體密閉結(jié)構(gòu),為保證強度要求,在底部外側(cè)和頂部焊接有加強筋。2.2.2螺栓開孔應(yīng)力仿真分析儲液箱用來裝載防凍液,主要承受兩個方面外力作用:1)防凍液對四周箱壁不但會造成垂直箱壁的壓力,而且由于傾斜壓力會作用四周接縫處的彎曲力矩;2)緊固螺栓造成垂直于安裝面的正壓力和作用在安裝孔上的局部彎曲力矩。對箱體垂直方向載荷進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析,結(jié)果顯示:1)邊界條件很苛刻的條件下,整個箱體在螺栓連接開孔處存在應(yīng)力集中;2)四角開孔處相對中間開孔應(yīng)力并不大多少;3)開孔應(yīng)力主要在孔的上部靠近內(nèi)側(cè)集中;4)如圖2所示,在1000N載荷下,應(yīng)力最大值在十幾兆帕這一數(shù)量級。對箱體受翻轉(zhuǎn)力矩作用進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析,結(jié)果顯示:1)相同邊界條件下,同樣在螺栓連接開孔處存在應(yīng)力集中;2)受翻轉(zhuǎn)拉應(yīng)力一側(cè)開孔出現(xiàn)的應(yīng)力基本相同;3)開孔應(yīng)力主要在孔的底部靠近內(nèi)側(cè)集中;4)如圖3所示,在500N·m翻轉(zhuǎn)載荷下,應(yīng)力最大值在十幾兆帕這一數(shù)量級。經(jīng)過兩種仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),第一種情況箱體受力趨向中間螺紋開孔,四角較小,不應(yīng)該在此處存在裂紋,與實際不符合,同時箱體曾做過振動沖擊試驗;第二種情況由于安裝箱體底部不平整,在承受翻轉(zhuǎn)力矩時僅僅局部幾個甚至單個螺栓承受翻轉(zhuǎn)力矩,若翻轉(zhuǎn)力矩增大10倍則應(yīng)力集中會增大到200多兆帕,并且箱體并沒有做翻轉(zhuǎn)試驗。2.2.3板厚和側(cè)壁板厚對應(yīng)力的影響儲液箱在焊接變形和焊接后進(jìn)行熱處理,余熱未施放干凈時會使箱體殘余很大內(nèi)部應(yīng)力。一是由于底板和側(cè)壁的板厚不同,焊接時變形較大產(chǎn)生應(yīng)力;二是這種封閉箱體焊接過程中產(chǎn)生大量的焊接應(yīng)力無法釋放,后續(xù)的熱處理并沒有完全消除這部分應(yīng)力。2.2.4惡劣環(huán)境下的介質(zhì)儲液箱屬于艦載設(shè)備散熱循環(huán)系統(tǒng),處在高濕、高溫和高鹽堿度等惡劣環(huán)境,例如介質(zhì)主要為海洋空氣、氯化物等;箱體材質(zhì)為鋁合金LF6,有應(yīng)力腐蝕開裂傾向。3儲液箱應(yīng)力檢測針對4個方面的原因分析,焊接和安裝應(yīng)力余留箱體,加之高溫、高濕和高鹽堿環(huán)境和金屬鋁合金材料等綜合因素是造成儲液箱裂紋的主要原因,應(yīng)該屬于典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。針對應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的幾種因素,由于儲液箱材質(zhì)和所處環(huán)境因素不便進(jìn)行更改或完善,因此只有從加工工藝和安裝上消除應(yīng)力,嚴(yán)格控制工藝過程。1)提高熱處理溫度值。在進(jìn)行熱處理時,考慮箱體強度和剛度承受值,適當(dāng)提高熱處理溫度。2)減少安裝的應(yīng)力值。在安裝時,可采取墊橡膠墊等