譚安全 劉元丹

(1．中國(guó)船級(jí)社重慶分社，重慶 401121； 2．中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715)

基于實(shí)船對(duì)過(guò)渡接頭法焊接鋼-鋁異種金屬進(jìn)行探究

譚安全1劉元丹2

(1．中國(guó)船級(jí)社重慶分社，重慶 401121； 2．中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715)

從鋼-鋁異種金屬焊接現(xiàn)狀和鋼-鋁結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭性能特點(diǎn)出發(fā)，介紹了鋼-鋁過(guò)渡接頭結(jié)構(gòu)形式、焊接接頭連接形式和相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。結(jié)合多艘次鋁合金船舶建造檢驗(yàn)，對(duì)過(guò)渡接頭結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和選取、實(shí)際焊接要求等予以分析。船舶建造完成后及營(yíng)運(yùn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)過(guò)渡接頭復(fù)合界面出現(xiàn)分層缺陷，其設(shè)計(jì)和工藝對(duì)其它船舶有一定指導(dǎo)意義。

鋼-鋁過(guò)渡接頭 鋁合金 焊接工藝

0 序 言

鋁及鋁合金以其優(yōu)良的物理、化學(xué)特性已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具的各個(gè)領(lǐng)域。由于其密度小、無(wú)磁性、可焊接、易加工成形、無(wú)低溫脆性、耐海水腐蝕等特性，其作為船舶結(jié)構(gòu)可減輕船舶重量，增加載重量，提高航速和船舶平穩(wěn)性[1]。鋁合金在海運(yùn)業(yè)上應(yīng)用已有較長(zhǎng)的歷史，并取得了優(yōu)異的效果，從大型水面艦船構(gòu)件、上千噸的全鋁海洋研究船、遠(yuǎn)洋商船和客船的建造到旅客渡船、雙體客船、水翼艇、氣墊船、交通艇、登陸艇等各類高速客船和軍用快艇上都有使用鋁合金[2]。

在船舶建造中，鋁合金與鋼材異種金屬的焊接至關(guān)重要，常溫下，鋁和鋼極低的固溶度和兩種金屬在物理化學(xué)性能方面的巨大差異，導(dǎo)致焊接時(shí)容易出現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷[3]。很多科研工作者對(duì)鋼-鋁異種金屬的焊接進(jìn)行了研究，包括釬焊、壓焊、熔焊、擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、復(fù)合過(guò)渡接頭的使用等焊接方法的應(yīng)用[4-10]，并取得了一定的進(jìn)展，但很少?gòu)拇敖ㄔ旌痛皺z驗(yàn)的角度去分析。

文中主要結(jié)合參與多艘次鋼-鋁船舶建造過(guò)程，對(duì)鋼-鋁過(guò)渡接頭結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，并以某建造船舶為例，對(duì)過(guò)渡接頭焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和選取、焊接要求等予以分析說(shuō)明。船舶建造完成后及營(yíng)運(yùn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)過(guò)渡接頭復(fù)合界面出現(xiàn)分層缺陷，其設(shè)計(jì)和工藝對(duì)其它同類型船舶有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

1 材料特性

鋼與鋁的密度、比熱、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、電阻率和彈性模量等熱物理性能相差很大，其熱物理性能見(jiàn)表1[3]。如果將鋼和鋁進(jìn)行高溫熔焊，焊縫中會(huì)產(chǎn)生多種 Fe-Al金屬間化合物，難以形成良好的焊接接頭，且接頭應(yīng)力大、塑韌性低，易產(chǎn)生裂紋。

表1 鋼-鋁熱物理性能

因此，船舶建造中不宜將鋼質(zhì)板材與鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行高溫熔焊，現(xiàn)在普遍采用鋼-鋁復(fù)合過(guò)渡接頭，鋼質(zhì)主船體及鋁質(zhì)構(gòu)件與復(fù)合過(guò)渡接頭分別進(jìn)行焊接。同傳統(tǒng)的鋼圍欄和鉚接工藝相比，采用鋼-鋁復(fù)合過(guò)渡接頭，既簡(jiǎn)化了施工工藝，節(jié)省工時(shí)，同時(shí)提高了接頭處的水密封性和耐腐蝕性能。

鋼-鋁結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭由三部分組成，包括鋼層、中間層和鋁層，三層厚度不同，中間層相對(duì)鋼、鋁層較薄，通過(guò)爆炸合成復(fù)合過(guò)渡接頭，簡(jiǎn)稱STJ(Structural Transition Joint)，如今普遍采用表2中所列兩種形式。復(fù)合板(STJ)應(yīng)進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)，結(jié)合率達(dá)到100%為合格。RT檢測(cè)后還應(yīng)進(jìn)行復(fù)層之間剪切和拉脫性能試驗(yàn)(復(fù)層厚度方向拉伸)，根據(jù)美國(guó)軍標(biāo)MIL-J-24445A的要求，過(guò)渡接頭STJ的力學(xué)性能見(jiàn)表3。

除了上述復(fù)合界面的強(qiáng)度性能，船舶建造中過(guò)渡接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝將直接影響船舶營(yíng)運(yùn)中過(guò)渡接頭的力學(xué)性能。

表2 鋼-鋁接頭類型

表3 過(guò)渡接頭STJ力學(xué)性能

2 過(guò)渡接頭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼-鋁過(guò)渡接頭的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括STJ自身的對(duì)接和角接、STJ與鋁質(zhì)板材和型材的連接以及STJ與鋼的連接。根據(jù)STJ中鋁、鈦和鋼的熱物理特性及二元相圖，三種材料直接熔合會(huì)產(chǎn)生脆性相，如TiFe等，因此STJ對(duì)接、角接時(shí)采取鋁-鋁焊接、鋼-鋼焊接、鈦層不焊接。

2.1 STJ對(duì)接

STJ對(duì)接焊接時(shí)，對(duì)于可以自由翻身，即結(jié)構(gòu)可繞STJ縱軸翻轉(zhuǎn)，稱為自由式接頭，其對(duì)接形式如圖1所示。中間層鈦和距離鈦上下各3 mm內(nèi)不開(kāi)坡口，需保留鈍邊，鋼和鋁合金層各開(kāi)約60°V形坡口；對(duì)于不能自由翻身，即結(jié)構(gòu)不能繞STJ縱軸翻轉(zhuǎn)時(shí)，稱為拘束式接頭，其對(duì)接形式如圖2所示。鋼層、鈦層及距離鈦邊界向上3 mm內(nèi)不開(kāi)坡口，保留鈍邊，剩余鋁合金層開(kāi)設(shè)約60°V形坡口。兩種形式接頭均要避免鈦層熔化，開(kāi)設(shè)坡口時(shí)必須控制好鈍邊區(qū)域。

圖1 STJ自由對(duì)接形式

圖2 STJ約束對(duì)接形式

2.2 STJ角接

過(guò)渡接頭角接形式有如圖3中A-A和B-B兩種方案，而A-A形式較為普遍，也是推薦選用的連接形式。鈦層及上下3 mm內(nèi)保留鈍邊，切勿將坡口直接從鋁合金層開(kāi)至鋼層，避免鈦層熔化。STJ的T形連接亦采取A-A方案。

圖3 STJ角接形式

針對(duì)過(guò)渡接頭STJ的連接，若是連接部位有密封性要求，則采取上述連接方式進(jìn)行焊接，并對(duì)未焊區(qū)域(保留鈍邊部位)采取鉆孔和填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠，既能傳遞載荷又能保證密封性。對(duì)于連接部位無(wú)密封性要求，則采取如圖4所示方案，在過(guò)渡接頭連接區(qū)域設(shè)置約4 mm開(kāi)口，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠。

圖4 非水密部位STJ接頭填充結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠

2.3 STJ層疊與搭接

根據(jù)過(guò)渡接頭的結(jié)構(gòu)形式可分為層疊式和搭接式[11]，其連接形式如圖5～6所示。其中層疊式在船舶建造中應(yīng)用較為普遍，一種方案為直接將過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)甲板連接，但必須與鋼質(zhì)甲板下構(gòu)件良好對(duì)中，確保力傳遞的連續(xù)性；另一種方案為鋼質(zhì)圍壁與甲板連接，過(guò)渡接頭在鋼質(zhì)圍壁和鋁合金圍壁間起連接作用。鋁質(zhì)構(gòu)件和鋼質(zhì)甲板連接可選擇圖5和圖6中A,B,C,D 4種連接方式，而同一甲板中若存在鋼鋁連接則可選取B,D(去掉鋼質(zhì)甲板)兩種連接方式。

圖5 STJ層疊式連接形式

圖6 STJ搭接式連接形式

3 實(shí)船分析

以某旅游客船為例，船舶總長(zhǎng)45 m，船寬12 m，型深3 m，設(shè)計(jì)吃水2 m，設(shè)計(jì)航速27.8 km/h，乘客定額250人，船舶主甲板以下采用CCSB鋼質(zhì)材料，主甲板以上采用鋁合金5083,6082T6材料，鋼質(zhì)和鋁質(zhì)材料通過(guò)過(guò)渡接頭鋁-鈦-鋼STJ焊接，具體方式如圖7所示。

圖7 實(shí)船采取過(guò)渡接頭STJ連接形式

3.1 過(guò)渡接頭STJ規(guī)格選取

過(guò)渡接頭STJ結(jié)構(gòu)形式選取層疊式，因?yàn)殁伒牧W(xué)性能比鋁高，因此中間層采用鈦，整個(gè)接頭抗拉強(qiáng)度較高。根據(jù)現(xiàn)行法國(guó)、日本和中國(guó)對(duì)鋁-鈦-鋼STJ的選取參數(shù)建議，及實(shí)船鋁合金構(gòu)件和鋼質(zhì)甲板的厚度，選定鋁-鈦-鋼STJ的尺寸為：鋼質(zhì)層h1:12 mm;鈦層h2:2 mm;鋁合金層h3:10 mm;STJ高度H：24 mm。

過(guò)渡接頭STJ寬度按照日本標(biāo)準(zhǔn)推薦尺寸：B=4t或B=t+2L+5;t為構(gòu)件鋁板厚度;L為鋁層角焊縫焊腳尺寸。

同時(shí)考慮到實(shí)船建造中過(guò)渡接頭處于高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)加大散熱面和應(yīng)力釋放，實(shí)船過(guò)渡接頭STJ寬度B取5倍板厚(5t)即25 mm。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

鋼-鋁過(guò)渡接頭STJ的力學(xué)性能包括過(guò)渡接頭爆炸成型后的力學(xué)性能和船舶建造施工后過(guò)渡接頭的力學(xué)性能，施工中過(guò)渡接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝將直接影響船舶營(yíng)運(yùn)中過(guò)渡接頭的力學(xué)性能。因此，焊接前需對(duì)其焊接工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)定和優(yōu)化。

在此船焊接工藝評(píng)定中，鋼結(jié)構(gòu)焊接采用熔化極氣體保護(hù)焊，鋁結(jié)構(gòu)焊接采用熔化極氬氟焊(MIG)，在過(guò)渡接頭STJ兩側(cè)分別焊上鋁板、鋼板，4條焊縫為連續(xù)焊，并在焊接過(guò)程中測(cè)量鋁-鈦界面溫度。試板和試樣如圖8所示。

圖8 試板及試樣示意圖

在過(guò)渡接頭鋁-鈦界面溫度不超過(guò)350 ℃前提下，采取多組不同焊接參數(shù)焊接試板，每組各選取多個(gè)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證其拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彎曲性能(包括正彎180°、反彎180°和側(cè)彎90°)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取合適的焊接參數(shù)，所選焊接參數(shù)及焊后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，由表4可知，焊接接頭拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值。在進(jìn)行焊接參數(shù)優(yōu)化選取時(shí)，盡量選取拉伸試驗(yàn)斷裂于母材而非焊縫試樣的焊接參數(shù)，有利于獲得與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮缚p，以便于保證接頭的可靠性。

表4 焊接參數(shù)及焊后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 裝配和焊接

實(shí)船根據(jù)焊接工藝評(píng)定選取的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，并由相應(yīng)焊接資質(zhì)的焊工施焊，整個(gè)焊接過(guò)程包括焊前清理、焊接過(guò)程控制和焊后處理。從整個(gè)船舶過(guò)渡接頭STJ的焊接質(zhì)量分析，主要應(yīng)控制好以下幾個(gè)方面。

3.3.1 下料和裝配精度

過(guò)渡接頭STJ與鋼和鋁的裝配間隙將直接影響焊后復(fù)合界面的質(zhì)量，裝配間隙過(guò)大引起復(fù)合界面垂直方向拉應(yīng)力變大，易導(dǎo)致復(fù)合界面出現(xiàn)分層缺陷。因此要嚴(yán)格控制構(gòu)件下料切割精度，采用激光切割及其它有效方法，仔細(xì)切割余量；建立如薄板變形控制等技術(shù)方案，使STJ上下裝配間隙盡量減小并趨于零。STJ自身連接裝配工藝按上圖1、圖2及圖3的A-A要求。

3.3.2 焊前清理

焊前清理主要是去除焊接區(qū)域附近(待焊接區(qū)域兩側(cè)不小于20 mm范圍內(nèi))的油污、氧化皮、鐵銹和水分等雜質(zhì)。建議鋁材部分用丙酮，鋼材區(qū)域用不銹鋼刷處理。清理完成要注意保護(hù)，并及時(shí)完成焊接。

3.3.3 焊接要求

先焊過(guò)渡接頭間的對(duì)接和角接，再分別焊接鋼、鋁角焊縫。焊接時(shí)首先是定位焊，根據(jù)實(shí)船檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：定位焊時(shí)，焊件溫度往往較低，熱量不集中，易產(chǎn)生未焊透缺陷，建議定位焊焊接電流比正式焊接電流大10%。

對(duì)于過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)甲板、鋁合金構(gòu)件的焊接，無(wú)論先焊接過(guò)渡接頭哪一側(cè)，均各有利弊。此船采用先焊鋼層，充分冷卻后，再焊接鋁層，這樣有利于釋放鋼質(zhì)部分焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，避免過(guò)渡接頭復(fù)合層產(chǎn)生分層缺陷。隨著焊接熱能量的增加，過(guò)渡接頭復(fù)合界面溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)，其力學(xué)性能隨之降低[12]，因此焊接時(shí)采取分段跳焊、從中間向兩邊對(duì)稱焊接，并控制連續(xù)焊接長(zhǎng)度，避免過(guò)渡接頭復(fù)合界面處焊接溫度超過(guò)300 ℃。同時(shí)過(guò)渡接頭鈦層不焊接，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝要求，保留鈍邊(鈦層及其上下3 mm內(nèi))完整性，避免影響過(guò)渡接頭的接合性能。

3.4 焊后處理

焊接完成后，采用機(jī)械方法修正過(guò)渡接頭兩側(cè)焊縫余高，外觀檢測(cè)焊縫和過(guò)渡接頭復(fù)合界面。待充分冷卻后，在過(guò)渡接頭接縫兩側(cè)(鈍邊區(qū))鉆孔，孔徑φ4～6 mm，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠。最后對(duì)過(guò)渡接頭進(jìn)行著色檢查，確保無(wú)裂紋等缺陷。經(jīng)檢驗(yàn)，符合要求。

此旅游客船投入營(yíng)運(yùn)后，并未發(fā)現(xiàn)過(guò)渡接頭復(fù)合界面出現(xiàn)分層等缺陷，船舶狀況良好。

4 結(jié) 論

(1)鋁-鈦-鋼過(guò)渡接頭用于連接鋼和鋁實(shí)際可行，既能有效傳遞載荷又能滿足密封性要求，避免了傳統(tǒng)鉚接工藝的繁瑣和缺陷。

(2)確保所選取過(guò)渡接頭爆炸焊接良好，力學(xué)性能指標(biāo)符合船舶實(shí)際；同時(shí)針對(duì)船廠、焊工和船舶建造實(shí)際情況，對(duì)過(guò)渡接頭焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取拉伸試驗(yàn)斷裂于母材而非焊縫試樣的焊接參數(shù)，制定合理的焊接工藝并嚴(yán)格實(shí)施。

(3)鋁-鈦-鋼過(guò)渡接頭自身對(duì)接或角接時(shí)，對(duì)于有密封性要求的，中間層鈦和距離鈦上下各3 mm內(nèi)不開(kāi)坡口，需保留鈍邊，焊接時(shí)避免觸及鈦層，影響過(guò)渡接頭質(zhì)量，最后對(duì)未焊區(qū)域(保留鈍邊部位)采取鉆孔和填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠；對(duì)于沒(méi)有密封性要求的，則可直接在過(guò)渡接頭連接區(qū)域設(shè)置約4 mm開(kāi)口，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠，有利于過(guò)渡接頭應(yīng)力釋放。

(4)嚴(yán)格控制構(gòu)件下料切割精度，采用激光切割及其它有效方法，仔細(xì)切割余量；建立如薄板變形控制等技術(shù)方案，使STJ上下裝配間隙盡量減小趨于零。過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)和鋁質(zhì)板材焊接時(shí)，建議先焊鋼層，充分冷卻后，再焊接鋁層，這樣有利于釋放鋼質(zhì)部分焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；同時(shí)采取分段跳焊、從中間向兩邊對(duì)稱焊接，并控制連續(xù)焊接長(zhǎng)度，避免過(guò)渡接頭復(fù)合界面處焊接溫度超過(guò)300 ℃，避免過(guò)渡接頭復(fù)合層產(chǎn)生分層缺陷。

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2016-06-21

TG443

譚安全，1986年出生，碩士，工程師。主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、焊接、振動(dòng)等方面研究。