6082-T6铝合金焊接接头亚区循环塑性行为表征及其对LNG运输船结构完整性的影响

针对液化天然气(LNG)运输船用6082-T6铝合金焊接接头在循环载荷下的力学性能异质性问题，研究人员通过实验与模拟相结合的方法，系统分析了基材(BM)、热影响区(HAZ)和焊缝金属(WM)的静态强度、循环硬化及棘轮效应差异，建立了各亚区循环塑性本构模型。研究发现HAZ是接头最薄弱区域，其硬度仅为WM的68%，研究成果为LNG船用焊接结构低周疲劳(LCF)性能预测提供了重要理论依据。

　　

在液化天然气(LNG)运输船领域，6082-T6铝合金因其优异的强度与耐腐蚀性被广泛应用于框架结构。然而焊接过程形成的基材(BM)、热影响区(HAZ)和焊缝金属(WM)存在显著力学性能差异，在风浪等循环载荷作用下易引发低周疲劳(LCF)失效。现有研究多聚焦单一区域，缺乏对焊接接头多亚区循环塑性行为的系统比较，特别是棘轮效应(ratchetting)与循环硬化(cyclic hardening)的关联机制尚不明确。哈尔滨工业大学的Chen Zhihao团队在《Ocean Engineering》发表研究，通过创新性实验与数值模拟揭示了6082-T6接头各亚区的失效机理。

研究采用金属惰性气体保护焊(MIG)制备6082-T6/ER5356对接接头，结合显微硬度测试、应变/应力控制LCF试验和有限元分析(FEA)技术。关键方法包括：1) 基于EN 485-2标准制备异质接头样本；2) 使用Olympus DSX510光学显微镜观察微观组织；3) 通过Chaboche和Abdel-Karim-Ohno(A-K-O)模型构建本构关系；4) 采用SEM分析断口形貌。

【微观结构与静态强度分析】
显微组织显示BM呈现均匀等轴晶，WM为典型柱状枝晶，HAZ存在粗大等轴晶与析出相。力学测试表明BM屈服强度(320 MPa)显著高于WM(144 MPa)和HAZ(134 MPa)，HAZ硬度(65HV)仅为WM(95HV)的68%，这种梯度特性导致应力应变分布不均。

【循环硬化与棘轮行为】
应变控制LCF试验中，WM在0.6%应变幅下呈现152 MPa的显著循环硬化，其棘轮应变积累速率是BM的2.3倍。应力控制条件下，WM的棘轮应变幅达HAZ的1.8倍，表明焊接残余应力加剧了塑性变形累积。

【本构模型建立】
基于A-K-O模型优化的本构方程成功预测了各亚区非线性硬化行为：WM需3个背应力分量描述其动态恢复特性，HAZ模型引入幂律指数以准确捕捉小应变幅下的循环稳定现象。FEA模拟验证了HAZ在循环载荷下最先萌生微裂纹。

【结论与意义】
该研究首次系统表征了6082-T6接头亚区循环塑性行为差异，明确HAZ是限制接头整体性能的关键区域。建立的区域特异性本构模型解决了传统Prager模型对棘轮效应预测偏差大的问题，为LNG运输船焊接结构的寿命评估提供了新方法。研究成果被应用于国产LNG船辅助支撑结构优化设计，使疲劳寿命提升约22%。