压力容器网消息:1  前言 

　　对于交通运输工具，如轮船、火车、卡车和公共汽车，更大、更快和更轻的要求提高了有效结构布置的重要性。开发有效结构原则上讲有两种实用方法：应用新材料或采用新的结构设计。实践已经证明非常切实可行的解决方案是采用复合材料和夹层结构。采用这种方法，可获得高的强度重量比，而且重量最轻。夹层结构有可能提供一系列有吸引力的设计方案。除了重量减轻外，这些方案常常可以节省空间、防火、控制噪音，以及改善保温和冷却性能。

　　激光焊接的金属夹层板具有许多优良的性能，使设计人员能够为各种不同用途开发轻型和有效的结构构形。近1 5年来，世界上对这些夹层板进行了积极的研究。奥托昆普集团一直在参加这个领域的几个合作项目。在芬兰，涉及所有夹层钢板的研究都是自1 9 8 8年在赫尔辛基技术大学船舶实验室开始的。最初的研究重点放在破冰船船壳构造中采用的夹层板。从那时起在芬兰开展了大量的研究项目，如Shipyard2000，Weld 2000和Kenno轻型结构技术项目以及钢夹层板的制造、设计和最优化。

    2  夹层结构

　　夹层结构最常见的类型是上下两层采用刚性好、强度高、密度大的薄板，中间夹一层低密度材料，与上、下面层材料相比，中间夹层材料的刚性和强度比较低。按照这个大致的比例，当心部材料的重量接近上、下两层合计的重量时可得到一种最经济的夹层。

　　上、下面层以及心部材料都是钢板的夹层板被称为钢夹层板或钢夹层结构。钢夹层板根据心部材料的结构可分为：直腹板状的I形心，矩形梁做心的O形心，帽形或波形薄板做心的Vf／V形心和用两个帽形做心部的x形心。其他断面类型C、U或Z也可以用作心部。通过使用夹层结构,可能会获得高的强度重量比，即夹层结构比使用传统的钢板轻30％～50％。

    3  设计原则与设计工具

　　在设计中常采用工程材料的一些特征值。结构的使用性能达到最大化，在承载零件中意味着对于给定重量，刚性与强度的比最大。结构的使用性能取决于负载的类型(拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些类型的组合)、断面的形状(实心、管状、I形断面等)以及材料的性能(模数、强度、韧性等等)。

　　钢夹层板的设计公式发表在"钢夹层板强度分析公式"的报告中(Kujala和ROmanov，2002)。在这个报告中考虑了夹层板的几何形状是I形心板，O形心板和Vf／V形心板。同时对所有钢夹层板如何使用设计的公式也进行了简单介绍。文章中还介绍了一些计算结果、强度试验、三维有限元模型之间的比较。

　　通过填充PU泡沫、金属泡沫、轻质混凝土或矿棉替代金属夹层可使金属夹层板强度、防火性、疲劳等性能大大改善。在应用时，使用的填充材料的类型主要取决于所要求的性能、制造方法和价格。

　　夹层板结构的正确设计与挠度、应力和压曲负荷的分析同等重要。此外一块夹层板与另一块夹层板或与其他结构连接的设计是这些结构实际应用中的关键因素之一。

　　芬兰Componeering公司可提供一种分析和设计金属夹层板的软件应用程序。这种ESAComp软件最初是为复合结构的分析和设计而开发的，最近升级增加了金属夹层的模型。

　　ESA Comp软件提供了金属夹层横断面为I、O、V、C、Z形腹部结构的定义。填充材料也可能被包括在夹层板中，一块板的等效刚度用分析方法计算，它可以对梁和矩形板这样的结构部件进行给定负载下的分析。

　　夹层板应力分解到表面薄板和腹板上，从而提供详细的失效评价，包括屈服极限和局部不稳定性的状态。ESA Comp进一步同有限元(FE)软件，如ABAQUS，ANSYST和  NASTRAN相结合，当ESA Comp将金属夹层的特点带入分析循环时，由于有限元(FE)模型为基础的壳相对简单，使复杂结构的分析成为可能。

　　ESA Comp软件有一个易于使用的图形用户界面，可用来确定金属夹层形状。钢板的分析结果可作为指示钢板临界范围的轮廓图。

    4  材料的选择及生产工艺

　　研究结果指出奥氏体不锈钢1.4301(AISI 304)可用作激光焊接夹层板，在不同用途中具有良好的力学性能和耐一般腐蚀性能。为了提高耐腐蚀性能和改善耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能，可用奥氏体不锈钢1.44l(AISI 316)。

　　 当要求承载结构的重量显著地减轻时，使用强度更高的奥氏体不锈钢如1.4318(AISI 301LN)或硬质冷轧板看来是可行的或者说也是合适的。

　　在几个项目中对盐水喷雾室试验条件和道路条件下焊接不锈钢的耐腐蚀性一直在进行研究。盐水喷雾室试验和现场试验一致说明焊接的不锈钢部件无保护地在除冰盐环境中使用时，采用适当的焊后清理方法是非常重要的。实践证明酸洗是最有效的焊后清理方法。其他方法显然效果不太好。

　　大型实验室和现场腐蚀试验程序在ECSC专用资金项目“汽车结构中的不锈钢"(报告EUR20084EN2003)中进行，该项目由奥托昆普不锈钢公司配合。这些试验包括不同的不锈钢种和连接类型。研究的目的是比较实验室试验与现场试验的结果。在赫尔辛基冬季使用道路除冰盐得到的结果与在罗马(Rome)、直布罗陀(Gibraltar)与马德里(Madrid)进行的现场试验相比，只发生了相当轻微的腐蚀。耐腐蚀性按照由弱到强的顺序：1.4403(Cr2)→CrMrn16—7→1.4301(AISI304)→304sp(Mo—aUoyed)。在这些试验中，1.4301(AISI 304)使用得很好，说明在考虑耐腐蚀性时可作为首选钢种。

　　各种制造技术如电阻焊、点焊，熔结和粘结都可用于金属心夹层板的焊接。由于激光焊接工艺的热输入低和焊接速度高，因此非常适合于奥氏体不锈钢。激光焊接可使降低焊缝金属的耐腐蚀性的金相组织变化减至最小。使用激光焊接奥氏体不锈钢的另一个优点是由于热输入低引起的焊缝变形和激光焊缝形状变形小。

    5  不锈钢夹层板的最新应用

　　 在过去1 5年间，钢夹层板已进入商业化应用。楼梯和楼梯平台、舱壁和甲板是金属夹层板在巡逻舰和其他海上用途中的主要应用范围。

　　最近几年，不锈钢夹层板被用于民用、机械工程以及其他工业的各种不同用途。这些用途包括公共汽车的地面、电梯的壁和地板、工业用途中的工作平台和造船厂作业平台。

    6  结论

　　激光焊接不锈钢夹层板在各种美观漂亮的设计方案中有很大的潜力。夹层结构详细而正确的设计以及对挠度、应力和压曲负荷的分析是最重要的。夹层板与其他夹层板或与其他结构的连接是这些结构实际应用中的关键因素之一。

　　研究结果指出，奥氏体不锈钢1.4301(AISI304)可以用于激光焊接夹层板，它具有良好的力学性能和耐腐蚀性。当要求大大减轻承载结构的重量时，考虑采用更高强度的奥氏体不锈钢作夹层板是适当的。除了激光焊接外，电阻焊、点焊、粘结和熔结工艺的开发在未来不锈钢夹层结构的制造中将增加多种高效技术。