美國海軍將在未來使用航海級(jí)鈦金屬制造船體

美國海軍研究局(ONR)官員4月3日表示，美國海軍將使用創(chuàng)新的焊接技術(shù)，利用航海級(jí)鈦金屬制造全尺寸船體，該研究項(xiàng)目由ONR資助，此舉將使高強(qiáng)度鈦制船體在未來進(jìn)入美國海軍艦隊(duì)。

負(fù)責(zé)鈦制船體建造工作的項(xiàng)目承包商近期完成了該公司迄今最長的鈦合金攪拌摩擦焊(Friction－Stir)焊接工作，并希望在今年夏天完成整個(gè)船體的焊接工作。為建造船體，該公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)超過5 m長的鈦合金板進(jìn)行了焊接。

項(xiàng)目經(jīng)理表示，將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于焊接鈦金屬板，具有快速、高效且經(jīng)濟(jì)性好等方面特點(diǎn)。由于具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕且耐腐蝕等優(yōu)良特性，鈦金屬及其合金是一種建造船體和其他據(jù)結(jié)構(gòu)的理想材料。

如果采用鈦金屬建造海軍艦艇，這些艦艇在同等體積下將更輕，能夠搭載更多載荷，且在實(shí)際使用中不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。但是由于鈦金屬的成本比鋼材要高出9倍，且在用于海軍艦艇船體的建造方面造價(jià)高昂、技術(shù)難度大，因此造船部門一般避免使用鈦金屬。但是這種局面可能很快就會(huì)終結(jié)。

美國新奧爾良大學(xué)造船工程學(xué)院與美國達(dá)信海上與陸地系統(tǒng)公司的研究人員目前正在驗(yàn)證建造鈦金屬船體結(jié)構(gòu)的可行性。研究人員使用成本更低的航海級(jí)鈦金屬，利用攪拌摩擦焊技術(shù)，制成了包含有6塊鈦金屬板、長達(dá)6 m部分的主甲板，這些主甲板將作為一艘海軍試驗(yàn)船技術(shù)研究的一部分內(nèi)容，該試驗(yàn)船被稱為“變形船”(Transformable Craft或TCraft)。

攪拌摩擦焊的工作原理是，將一個(gè)非耗損的攪拌頭插入焊接工件的連接界面，當(dāng)攪拌頭向前沿著焊縫移動(dòng)時(shí)，塑化金屬在機(jī)械攪拌和頂鍛的作用下形成致密的固相連接。攪拌摩擦焊對(duì)大多數(shù)的鈦合金焊接都適用。通常情況下，鈦金屬利用常規(guī)技術(shù)難以焊接，因?yàn)楹附逾伣饘傩枰獦O高的溫度，并且焊接工具所使用的材料易受到腐蝕和與鈦金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步減弱了焊縫的強(qiáng)度。

ONR和美國空軍共同出資資助了弗羅里達(dá)楔石協(xié)同企業(yè)有限公司的新式鈦金屬攪拌摩擦焊技術(shù)項(xiàng)目，研究人員利用這種新技術(shù)解決了鈦金屬焊接的難題。由新奧爾良大學(xué)、NASA以及路易斯安那州聯(lián)合組成的先進(jìn)制造國家中心(NACM)采納了這一工藝技術(shù)，并將該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模基礎(chǔ)上進(jìn)行了放大。

為了制備船體結(jié)構(gòu)，目前研究人員已經(jīng)完成了長達(dá)21.3 m的鈦金屬焊縫的焊接，這也是截至目前利用攪拌摩擦焊工藝在焊接鈦金屬方面獲得的最長焊縫。新式攪拌摩擦焊接線速度更高，這意味著其焊接時(shí)間將更短;焊縫熔深控制得更好，這意味著焊件彼此的連接更為牢靠;且鈦金屬無形變發(fā)生。專家們將新式攪拌摩擦焊技術(shù)所取得的進(jìn)步歸功于新式攪拌頭的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的改進(jìn)。