鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過渡接頭修換工藝探討

周昌盛，尚爾達(dá)

(1.大連遼南船廠，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)對于新工藝、新材料的應(yīng)用也是日新月異。鋁鈦鋼復(fù)合過渡接頭和鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過渡接頭的應(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)合過渡接頭是采用爆炸焊接方法制造的復(fù)合板，通過鋸、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，其在使用過程中難免產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，特別是在船舶交付后，受各種疲勞因素所致，開裂現(xiàn)象也將時(shí)有發(fā)生。目前，在各類船舶修理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中針對復(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)介紹針對鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過渡接頭(以下簡稱“復(fù)合接頭”)開裂現(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)層鋁合金的牌號為5083，中間層純鋁的牌號為1050，基層是船舶及海洋工程用B級結(jié)構(gòu)鋼板，見圖1。

圖1 鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過渡接頭組成示意圖

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)械性能見表1。

表1 鋁合金-鋁-鋼復(fù)合過渡接頭機(jī)械性能

1.2 開裂原因

1)過度受熱。焊工沒能嚴(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，焊縫金屬直接穿過或者接近鋁鋼結(jié)合面，這也是造成復(fù)合接頭開裂的另一個(gè)主要原因。

3)應(yīng)力過大。應(yīng)力過大由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)，在上層建筑合龍過程中，復(fù)合接頭由相對自由狀態(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)間乃至較長的一段時(shí)間過后，甚至船舶交付幾年后，復(fù)合接頭局部薄弱部位將出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這是未來船舶復(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)定范圍勢必會(huì)造成復(fù)合接頭開裂現(xiàn)象的發(fā)生。復(fù)合接頭界面剪切強(qiáng)度相對較弱，在對結(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。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，以防溫度過高，造成復(fù)合接頭復(fù)合層開裂。

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”形接頭坡口參照圖3執(zhí)行。

圖3 復(fù)合接頭間對接坡口示意圖

2)復(fù)合接頭與板材焊接時(shí)，板材不需開坡口。

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)清理過的焊件應(yīng)在12 h內(nèi)焊接完畢，超過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)合面過度受熱是造成復(fù)合接頭開裂的主要原因，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)焊接過程中，如發(fā)現(xiàn)定位焊點(diǎn)開裂，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)對稱分布。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稱焊接。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制連續(xù)焊接長度，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)用肉眼對焊縫和復(fù)合接頭結(jié)合界面的外觀進(jìn)行檢查。

3)焊后應(yīng)平直、無扭曲及表面裂紋。

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，并對換新的復(fù)合接頭進(jìn)行著色檢查，確保沒有開裂的現(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

船舶交付后，在例行的船舶修理過程中，對于復(fù)合接頭的修換將是一個(gè)常態(tài)化的問題。只要修理工藝措施得當(dāng)，完全能夠滿足其原有技術(shù)性能。希望本文提及的針對復(fù)合接頭開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)合過渡接頭規(guī)范 ［S］.