周昌盛，尚爾達(dá)

(1.大連遼南船廠(chǎng)，遼寧大連 116041;2.旅順濱海船舶修造有限公司，遼寧大連 116045)

隨著造船技術(shù)的飛速發(fā)展，在船舶建造領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于新工藝、新材料的應(yīng)用也是日新月異。鋁鈦鋼復(fù)合過(guò)渡接頭和鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭的應(yīng)用就是一個(gè)明顯的例子，它取代了傳統(tǒng)船舶上層建筑結(jié)構(gòu)的鉚接工藝，使鋁質(zhì)上層建筑和鋼質(zhì)主船體通過(guò)焊接方式連接在一起，既降低了工作難度和強(qiáng)度，又改善了密性艙壁的防水防潮性能。鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭是采用爆炸焊接方法制造的復(fù)合板，通過(guò)鋸、刨、銑、水切割等冷加工方法加工成條形、板形、圓形或其他形狀［1］。該復(fù)合接頭由3種金屬材料組成，復(fù)層是鋁合金，中間層是純鋁，基層是船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼板［1］。鑒于復(fù)合接頭特殊的材料構(gòu)成，其在使用過(guò)程中難免產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，特別是在船舶交付后，受各種疲勞因素所致，開(kāi)裂現(xiàn)象也將時(shí)有發(fā)生。目前，在各類(lèi)船舶修理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中針對(duì)復(fù)合接頭的修換規(guī)定還甚少，本文將結(jié)合某型高速船的建造，詳細(xì)介紹針對(duì)鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合接頭”)開(kāi)裂現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和所采取的修理措施。

1 復(fù)合接頭開(kāi)裂的原因分析

1.1 復(fù)合接頭的組成及機(jī)械性能

1)復(fù)合接頭的組成。某型高速船的建造過(guò)程中，主要使用了2種規(guī)格的復(fù)合接頭，厚度分別為19 mm(4 mm鋁/5 mm鋁/10 mm鋼)和28 mm(10 mm鋁/3 mm鋁/15 mm鋼)。復(fù)層鋁合金的牌號(hào)為5083，中間層純鋁的牌號(hào)為1050，基層是船舶及海洋工程用B級(jí)結(jié)構(gòu)鋼板，見(jiàn)圖1。

圖1 鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭組成示意圖

復(fù)合接頭在使用時(shí)，一般在鋼側(cè)直接與鋼圍欄焊接，再通過(guò)鋼圍欄與其他船體鋼結(jié)構(gòu)焊接。

2)復(fù)合接頭的機(jī)械性能。復(fù)合接頭強(qiáng)度由最弱的連接所決定，純鋁1050的抗拉強(qiáng)度僅為80 MPa左右，其機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過(guò)渡接頭機(jī)械性能

1.2 開(kāi)裂原因

1)過(guò)度受熱。焊工沒(méi)能?chē)?yán)格按規(guī)定的焊接順序和操作手法進(jìn)行焊接施工或焊接規(guī)范使用不當(dāng)，焊縫局部熱輸入較大，致使復(fù)合接頭的結(jié)合面溫度大于300℃，這是造成復(fù)合接頭開(kāi)裂的主要原因。

2)鋁鋼結(jié)合面直接受熱。在復(fù)合接頭裝配時(shí)，由于施工人員對(duì)坡口間隙控制不嚴(yán)，造成坡口間隙超差，焊縫金屬直接穿過(guò)或者接近鋁鋼結(jié)合面，這也是造成復(fù)合接頭開(kāi)裂的另一個(gè)主要原因。

3)應(yīng)力過(guò)大。應(yīng)力過(guò)大由2方面原因造成，一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)合接頭處于應(yīng)力集中部位;另一方面，隨著船舶建造流程的推進(jìn)，在上層建筑合龍過(guò)程中，復(fù)合接頭由相對(duì)自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭顟B(tài)，并且焊接收縮變形和船體變形所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸施加到復(fù)合接頭上，在一段時(shí)間乃至較長(zhǎng)的一段時(shí)間過(guò)后，甚至船舶交付幾年后，復(fù)合接頭局部薄弱部位將出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，這是未來(lái)船舶復(fù)合接頭修換的主要原因。

4)彎曲、矯正措施不當(dāng)。復(fù)合接頭彎曲角度是有嚴(yán)格要求的，當(dāng)超出規(guī)定范圍勢(shì)必會(huì)造成復(fù)合接頭開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生。復(fù)合接頭界面剪切強(qiáng)度相對(duì)較弱，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行矯正時(shí)應(yīng)盡量避免切向扭轉(zhuǎn)或錘擊，否則，很容易造成開(kāi)裂。

5)爆炸失效。復(fù)合接頭失效百分比小于1%，但不排除在特殊時(shí)候會(huì)因此導(dǎo)致開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生。

2 復(fù)合接頭修換要求及坡口準(zhǔn)備

2.1 復(fù)合接頭的修換原則

1)凡在鋁鋼結(jié)合面有剝離、熔化等缺陷的復(fù)合接頭均列入修換范圍。有水密要求的不合格復(fù)合接頭采取局部割換的方法進(jìn)行修補(bǔ)，割換長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而定，一般不得小于500 mm;舷墻處不合格復(fù)合接頭必須割換。

2)復(fù)合接頭割換長(zhǎng)度L如圖2所示，L按以下公式計(jì)算:

L=2(100～150)+L1，其中L1為裂紋長(zhǎng)度。

圖2 復(fù)合接頭割換示意圖

2.2 復(fù)合接頭的切割要求

1)復(fù)合接頭切割前在裂紋兩端鉆止裂孔，確保切割時(shí)裂紋不再延伸。

2)復(fù)合接頭坡口的加工應(yīng)采用機(jī)械加工或不影響復(fù)合層結(jié)合性能的有效方法。

3)復(fù)合接頭割換原則上不破壞鋼圍欄，分別沿鋼鋁焊縫割開(kāi)。當(dāng)施工位置受限時(shí)，可連鋼圍欄一同割換，并且將鋼圍欄對(duì)接焊縫磨平。

4)復(fù)合接頭自身切割必須采用砂輪機(jī)或往復(fù)鋸進(jìn)行，切割過(guò)程中應(yīng)采用噴水方法進(jìn)行冷卻，確保切割面復(fù)合層溫度不大于300℃。

5)鋁板與復(fù)合接頭切割采用砂輪機(jī)或往復(fù)鋸進(jìn)行，鋼板與復(fù)合接頭切割采用砂輪機(jī)或火焰切割進(jìn)行，但在距復(fù)合接頭連接處兩端30 mm范圍內(nèi)不得使用火焰切割，以防溫度過(guò)高，造成復(fù)合接頭復(fù)合層開(kāi)裂。

6)鋼板、鋁板與復(fù)合接頭切割時(shí)，盡量按45°角切割焊縫 (原焊縫打磨去除)，確保裝配間隙不大于2 mm，當(dāng)裝配間隙超過(guò)2 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行焊補(bǔ)恢復(fù)尺寸。

2.3 復(fù)合接頭的坡口準(zhǔn)備

1)復(fù)合接頭間對(duì)接坡口、角接坡口分別如圖3、圖4所示。坡口深度:距鋁鋼結(jié)合面距離不小于3 mm，坡口間隙均為0～1.5 mm。復(fù)合接頭角接時(shí)，如夾角非直角，其坡口角度可適當(dāng)調(diào)整。復(fù)合接頭間“T”形接頭坡口參照?qǐng)D3執(zhí)行。

圖3 復(fù)合接頭間對(duì)接坡口示意圖

2)復(fù)合接頭與板材焊接時(shí)，板材不需開(kāi)坡口。

3)定位焊前應(yīng)將待焊板縫的正反面不小于30 mm范圍內(nèi)采用不銹鋼絲刷進(jìn)行清理，去除表面的氧化膜。復(fù)合接頭與鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)焊接前，其坡口采用丙酮進(jìn)行清理，去除表面的油污。

圖4 復(fù)合接頭間角接坡口示意圖

4)清理過(guò)的焊件應(yīng)在12 h內(nèi)焊接完畢，超過(guò)12 h時(shí)下次焊接前應(yīng)重新按要求清理后方可焊接。

2.4 復(fù)合接頭的裝配

1)安裝復(fù)合接頭時(shí)不能用鐵錘敲擊其表面或側(cè)面。

2)裝配定位前，應(yīng)仔細(xì)研磨復(fù)合接頭坡口，坡口間隙超差時(shí)不得裝配定位。

2.5 復(fù)合接頭的臨時(shí)修理

對(duì)艙內(nèi)壁板和舷墻位置的不合格復(fù)合接頭在距不合格處兩側(cè)20 mm處鉆止裂孔，沿接合面用砂輪打磨寬度6～8 mm、深度3～4 mm左右的凹槽，清理干凈后填充SIKAFLEX-291i膠密封。

3 復(fù)合接頭焊接工藝

鋁鋼結(jié)合面過(guò)度受熱是造成復(fù)合接頭開(kāi)裂的主要原因，焊工在焊接時(shí)必須嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)定，不得擅自改變焊接工藝，以防造成更大的開(kāi)裂損失。

3.1 焊接方法及焊材

1)焊接方法。復(fù)合接頭及其相關(guān)結(jié)構(gòu)焊接所采用的焊接方法包括半自動(dòng)熔化極脈沖氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊。其中半自動(dòng)熔化極脈沖氬弧焊用于鋁板、鋁型材與復(fù)合接頭角焊縫的焊接;CO2氣體保護(hù)焊用于復(fù)合接頭間鋼側(cè)的焊接。

2)焊材。①焊絲ER5183，直徑1.2 mm，用于熔化極脈沖氬弧焊;②氬弧焊保護(hù)氣體，氬氣(Ar)，純度≥99.99%;③ 焊絲JQ.MG50-6，直徑0.8 mm，用于CO2氣體保護(hù)焊。

3.2 定位焊

1)角焊縫定位焊的長(zhǎng)度為20～30 mm，間距100～150 mm。

2)復(fù)合接頭與復(fù)合接頭連接時(shí)，在鋼側(cè)和鋁側(cè)均應(yīng)有定位焊點(diǎn);復(fù)合接頭與船體結(jié)構(gòu)連接時(shí)，定位焊縫可設(shè)在結(jié)構(gòu)的一側(cè)或兩側(cè)。

3)定位焊所用焊材應(yīng)與正式焊接時(shí)所用焊材相同。

4)定位焊電流應(yīng)比正式焊接的焊接電流大10%。

5)定位焊后應(yīng)重新復(fù)驗(yàn)裝配間隙、錯(cuò)邊量等，符合要求后方可焊接。

6)焊接過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)定位焊點(diǎn)開(kāi)裂，造成板邊錯(cuò)位或間隙變化時(shí)應(yīng)停止焊接，經(jīng)修復(fù)后方可繼續(xù)焊接。正式焊接前對(duì)于不影響焊接質(zhì)量的定位焊縫可以不去除。

3.3 焊接環(huán)境

1)當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃或濕度大于80%時(shí)，焊前采用熱風(fēng)或氧-乙炔焰 (火焰距離板的距離不小于5 mm)對(duì)待焊接區(qū)域兩側(cè)不小于30 mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為50℃左右。

2)當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速大于等于2 m/s時(shí)，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施。

3.4 焊接要求

1)焊接時(shí)應(yīng)遵循復(fù)層與復(fù)層、基層與基層分別焊接原則。

2)復(fù)合接頭間連接時(shí)，如果兩側(cè)熔敷焊道的數(shù)量相差懸殊則焊道順序應(yīng)對(duì)稱(chēng)分布。鋼質(zhì)部分層間溫度不大于150℃，鋁質(zhì)部分層間溫度不大于50℃。

3)應(yīng)先焊復(fù)合接頭間的對(duì)接或角接焊縫，再分別焊接其它鋼、鋁角焊縫。

4)焊接構(gòu)件與復(fù)合接頭的角焊縫時(shí)應(yīng)采用逐步退焊法或從中間向兩邊對(duì)稱(chēng)焊接。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制連續(xù)焊接長(zhǎng)度，一般不大于500 mm，以保證復(fù)合接頭的鋼鋁結(jié)合面溫度不大于300℃，坡口鈍邊處 (不需焊接區(qū)域)不得焊接。

5)當(dāng)復(fù)合接頭連接處端面焊接質(zhì)量無(wú)法保證時(shí)，可采用引弧板和熄弧板。

3.5 焊后處理和檢查

1)完工后的焊接接頭應(yīng)采用機(jī)械方法去除正反兩面焊縫的余高和修正接頭的兩個(gè)側(cè)面。

2)用肉眼對(duì)焊縫和復(fù)合接頭結(jié)合界面的外觀(guān)進(jìn)行檢查。

3)焊后應(yīng)平直、無(wú)扭曲及表面裂紋。

4)復(fù)合接頭結(jié)合面不應(yīng)有剝離、熔化等缺陷，焊縫冷卻后時(shí)效時(shí)間不少于24 h。在復(fù)合接頭接縫兩側(cè)中間層縫隙處鉆孔，鉆孔 (外露處應(yīng)在外側(cè)鉆孔)的深度為該處復(fù)合接頭寬度的一半，不必鉆透。

5)最后，填充SIKAFLEX-291i膠，并對(duì)換新的復(fù)合接頭進(jìn)行著色檢查，確保沒(méi)有開(kāi)裂的現(xiàn)象發(fā)生。

3.6 焊接規(guī)范

1)CO2氣體保護(hù)焊焊接規(guī)范如表2所示。

表2 CO2氣體保護(hù)焊焊接規(guī)范

2)半自動(dòng)熔化極脈沖氬弧焊焊接規(guī)范如表3所示。

表3 半自動(dòng)熔化極脈沖氬弧焊焊接規(guī)范

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶交付后，在例行的船舶修理過(guò)程中，對(duì)于復(fù)合接頭的修換將是一個(gè)常態(tài)化的問(wèn)題。只要修理工藝措施得當(dāng)，完全能夠滿(mǎn)足其原有技術(shù)性能。希望本文提及的針對(duì)復(fù)合接頭開(kāi)裂的原因分析及修換措施能夠給廣大從事船舶維修工作相關(guān)的技術(shù)人員以啟迪。

［1］CB 20091-2012，鋁合金-鋁-鋼 (不銹鋼)復(fù)合過(guò)渡接頭規(guī)范 ［S］.