蔣小霞　張?zhí)煨恰⒖∑?/p>

摘要：在美國、德國和中國分別提出“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系（AMP）”、“工業(yè)4.0（Industry4.0）”和“中國制造2025（MadeinChina 2025）”新一輪制造業(yè)改革的浪潮下，產(chǎn)品輕量化理念備受關(guān)注。全鋼三明治板是一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在艦船輕量化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。以艦船輕量化為應(yīng)用背景，主要從三明治板的結(jié)構(gòu)類型、全鋼三明治板的制造方法和全鋼三明治板的強(qiáng)度及失效模式三方面進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)在全鋼三明治板的強(qiáng)度及失效的研究中有3個(gè)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(shí)接頭開裂而致使承載能力得不到充分發(fā)揮的問題；焊接接頭失效后的維護(hù)和再制造問題；探索并找尋新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，進(jìn)而開展大量試驗(yàn)研究，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，降低總體艦船的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：全鋼三明治板；強(qiáng)度；焊接接頭

中圖分類號(hào)：TB383.4

文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

文章編號(hào)：1001-828X（2016）036-000328-02

全鋼三明治板（an Steel Sandwich Panels）是一種設(shè)計(jì)靈活、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，不僅具有高比強(qiáng)度、高比剛度、沖擊性能良好和耐碰撞等優(yōu)異特點(diǎn)，而且其結(jié)構(gòu)可以模塊化設(shè)計(jì)和制造，因此近年來引起了國內(nèi)外研究者的青睞。目前，國外全鋼三明治板已成功應(yīng)用于船舶、汽車、建筑、橋梁等眾多領(lǐng)域。

全鋼三明治板屬于復(fù)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(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)板，這種結(jié)構(gòu)特征決定其力學(xué)性能具有各向異性的特點(diǎn)。在面板和芯板所構(gòu)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(jìn)一步提升其抗沖擊，隔熱，防腐等性能。實(shí)際上，早在1950年，人們認(rèn)識(shí)到金屬三明治板的“夾芯效應(yīng)”，提議將其作為一種新的工業(yè)分支來發(fā)展。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)的激光功率發(fā)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(dāng)時(shí)并未發(fā)展起來。直到上世紀(jì)80年代，美國海軍促進(jìn)了金屬三明治結(jié)構(gòu)板的發(fā)展閉。在歐洲，有關(guān)金屬三明治結(jié)構(gòu)板的研究盛行于德國、英國和芬蘭等國家。

在國內(nèi)，隨著科技發(fā)展和激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、北京航空制造工程研究所、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等科研院都有從事激光焊接制造技術(shù)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(fā)與應(yīng)用中，指出我國除廣泛了解和掌握國外發(fā)展水平基礎(chǔ)外、還需開展應(yīng)用研究工作，在造船工業(yè)和海軍艦艇建造中優(yōu)先采用這種先進(jìn)結(jié)構(gòu)，以提高產(chǎn)品的性能水平。因此，開展高比強(qiáng)度、高空間節(jié)約率、模塊化程度高、制造成本低的激光焊接金屬三明治結(jié)構(gòu)板的研究，并將其應(yīng)用于我國的船舶、汽車、橋梁等領(lǐng)域?qū)?huì)產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2010年以來上海交通大學(xué)和蘭州理工大學(xué)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(xiàn)中提到的減重30-50%，但是其強(qiáng)度并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，原因主要是激光焊接接頭的開裂致使整個(gè)結(jié)構(gòu)過早失效。本文從三明治板的結(jié)構(gòu)類型、全鋼三明治板的制造方法和全鋼三明治板的強(qiáng)度及失效模式三個(gè)方面分析全鋼三明治板的強(qiáng)度研究遇到的難題，為后續(xù)進(jìn)一步深入研究全鋼三明治板的失效模式奠定一定基礎(chǔ)。

一、金屬三明治板的結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)中選用鋼和鋁。根據(jù)芯部結(jié)構(gòu)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(gè)方向上進(jìn)行有規(guī)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?yàn)槿撊髦伟宓慕Y(jié)構(gòu)特性，用傳統(tǒng)的制造方法難以制備，因而使用激光穿透焊接技術(shù)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(tái)、裝配面板及芯板并通過試焊、確定面板和芯板坐標(biāo)和正式進(jìn)行激光焊接。激光焊接具有焊接速度快，焊后變形小及易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)，面板和芯板連接處的焊縫寬度會(huì)比較窄，這必將影響全鋼三明治板的力學(xué)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(fā)生器，而這使很多科研單位目前還不能接受購買和維護(hù)造價(jià)高昂的大功率激光功率發(fā)生器。在此情形下，我們應(yīng)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(xué)在焊劑片約束電弧焊接制造高強(qiáng)鋼三明治板方面進(jìn)行著大量研究。

三、全鋼三明治板的強(qiáng)度及失效模式

強(qiáng)度是全鋼三明治板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要指標(biāo)之一，當(dāng)載荷達(dá)到最大承載力時(shí)，全鋼三明治結(jié)構(gòu)板將不適于繼續(xù)承載變形。全鋼三明治板的強(qiáng)度與其失效形式密切相關(guān)。Romanoff等認(rèn)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(rèn)為三明治結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、載荷和邊界條件的金屬三明治梁或板，在載荷達(dá)到最大承載力時(shí)，會(huì)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(jì)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(qiáng)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(tái)等非承載部位。三明治板結(jié)構(gòu)的前瞻性吸引了芬蘭、英國和德國等歐洲國家，并對(duì)Web-core型金屬三明治板進(jìn)行了開發(fā)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(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。經(jīng)研究和實(shí)踐表明，在相同極限強(qiáng)度下，較傳統(tǒng)夾芯結(jié)構(gòu)相比，I型金屬三明治板的應(yīng)用可以使船體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量下降30%-50%。近10年來，在芬蘭，以赫爾辛基大學(xué)為主的多個(gè)科研院所，在Web-core型三明治板的制備、性能評(píng)定、應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)Web-core型金屬夾層結(jié)構(gòu)與常規(guī)船體結(jié)構(gòu)的連接進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的研究。無論是LASCOR板還是Web-core型板的成功應(yīng)用都說明這類結(jié)構(gòu)板在輕量化方面的獨(dú)特優(yōu)勢，然而在這些研究中有關(guān)全鋼三明治板的強(qiáng)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(jié)構(gòu)中的非承載部位，即滿足剛度要求。但是為了進(jìn)一步減輕艦船的重量，必須采用厚面板的高強(qiáng)鋼制備的全鋼三明治板替代傳統(tǒng)加強(qiáng)板，有關(guān)這方面的研究在國內(nèi)外已經(jīng)展開，并取得了一定成果，然而值得人們更加關(guān)注的是厚面板高強(qiáng)鋼三明治板的強(qiáng)度及失效問題。

上海交通大學(xué)與蘭州理工大學(xué)于2010年，聯(lián)手對(duì)全鋼三明治板的激光焊接制造基礎(chǔ)進(jìn)行研究。在其研究中，通過外伸梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的方法研究了多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的全鋼三明治板的強(qiáng)度及失效模式，其主要結(jié)果表明焊接接頭的強(qiáng)度會(huì)影響三明治板結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，尤其當(dāng)焊接接頭的焊縫寬度較小時(shí)，在接頭處會(huì)形成塑性鉸，造成整體板以接頭屈服的形式失效；當(dāng)焊縫寬度較小，但整體板在未達(dá)到最大在載荷時(shí)，接頭開裂，造成整體板強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(bào)道。為了得到較寬的焊縫，他們采用適當(dāng)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(yōu)異的全鋼三明治板，但是因?yàn)闇p少了面板的厚度，整體結(jié)構(gòu)的承載能力降低，其整體板的失效形式又變?yōu)槊姘迩?。這些研究讓我們認(rèn)識(shí)到焊接接頭是全鋼三明治板的重要構(gòu)成部分，同時(shí)也是薄弱部分，在未來有關(guān)厚面板高強(qiáng)鋼三明治板的研究中必須加以重視。國內(nèi)還有一些針對(duì)全鋼三明治板的強(qiáng)度問題和失效模式的研究，這些研究一方面提醒研究者對(duì)三明治板中焊接接頭的認(rèn)識(shí)不能只停留在傳遞剪力的水平上，另一方面提醒研究者應(yīng)該開展在少數(shù)焊接接頭局部失效后如何進(jìn)行修復(fù)，即三明治板的再制造問題。

為了進(jìn)一步提升制造業(yè)水平，美國、德國和我國分別提出了“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系（AMP）”、“工業(yè)4.0（Industry4.o）”和“中國制造2025（Made in China 2025）”。在制造業(yè)新一輪改革的浪潮下，產(chǎn)品輕量化理念無疑會(huì)備受關(guān)注，這將促進(jìn)全鋼三明治板在船舶、汽車、建筑、橋梁等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，但是，提高全鋼金屬三明治板的強(qiáng)度，即解決焊接接頭強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面改進(jìn)：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(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)及優(yōu)化計(jì)理念，從焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)出發(fā)，在解決焊接接頭、三明治板和艦船尺寸效應(yīng)的前提下，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論

為提高材料與能源的利用率，結(jié)構(gòu)輕量化已成為整個(gè)制造業(yè)的一個(gè)重要突破點(diǎn)。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(tǒng)加強(qiáng)板。國內(nèi)外有關(guān)全鋼三明治強(qiáng)度方面的研究表明此類結(jié)構(gòu)板在艦船輕量化方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但是以下幾個(gè)方面還需引起重視：

1.為進(jìn)一步減輕艦船重量，在承載部分應(yīng)用厚面板的全鋼三明治板替代傳統(tǒng)加強(qiáng)板勢在必行，那么首先應(yīng)解決因焊接接頭的強(qiáng)度問題導(dǎo)致整體三明治板承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水平；

2.應(yīng)盡快開展大量有關(guān)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(hù)和再制造研究；

3.探索制造全鋼三明治板的創(chuàng)新工藝和先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并開發(fā)高效智能化的組裝技術(shù)。