某型艦船鈦合金導(dǎo)流罩修理的研究

周惠元，楊 錕

(中國(guó)人民解放軍四八〇五廠，上海 200136)

某型艦船鈦合金導(dǎo)流罩修理的研究

周惠元，楊 錕

(中國(guó)人民解放軍四八〇五廠，上海 200136)

分析了某型引進(jìn)裝備鈦合金導(dǎo)流罩在修理時(shí)使用國(guó)產(chǎn)Ti-70鈦合金替代ЛT3-B鈦合金的可行性，對(duì)Ti-70鈦合金關(guān)鍵工藝從外板成形及校形、焊接變形控制、焊接質(zhì)量等進(jìn)行了研究。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)流罩修理中使用Ti-70鈦合金是可行的。

修船;Ti-70鈦合金;導(dǎo)流罩;變形控制

0 引言

聲納是艦船水下最有效的觀察設(shè)備，處于船體首部，導(dǎo)流罩是聲納裝置的載體和保護(hù)裝置。鈦合金由于其良好的耐海水腐蝕性、無磁性、透聲性、冷成形性、可焊性，強(qiáng)度高且經(jīng)常應(yīng)用于制造艦船的導(dǎo)流罩。

為確保聲納透聲效果和船體的流體性能，導(dǎo)流罩往往設(shè)計(jì)成水滴形薄壁雙層殼板結(jié)構(gòu)。由于艦船行駛、離靠碼頭過程中經(jīng)常會(huì)被磕碰，導(dǎo)致導(dǎo)流罩殼體局部損壞影響聲納效果，因此對(duì)損壞部位進(jìn)行修復(fù)是非常必要的。目前某引進(jìn)裝備的導(dǎo)流罩均采用ЛT3-B鈦合金。由于受材料限制，在對(duì)損壞部位修理時(shí)會(huì)經(jīng)常采用國(guó)產(chǎn)Ti-70鈦合金替代ЛT3-B鈦合金來恢復(fù)其結(jié)構(gòu)及性能。

1 Ti-7 0鈦合金替代ЛT3-B鈦合金可行性分析

ЛT3-B、Ti-70鈦合金均為Ti-Al-Zr-Fe近α型鈦合金，具有強(qiáng)度高以及良好的塑性、韌性、耐蝕性，冷熱加工成型性能，且焊接性能好，即使多道次施焊，熱影響區(qū)也不會(huì)因相變強(qiáng)化而產(chǎn)生裂紋。其主元素成分、力學(xué)性能對(duì)比分別見表1、表2。Ti-70鈦合金板材拉伸性能:1.33～4 mm，耐海水腐蝕性能:在60℃海水中浸泡，均勻腐蝕率≤0.001 mm/a，冷彎角180°，與船體鋼電偶效果為1.43。經(jīng)成型、焊接等各種試驗(yàn)，證明Ti-70可以用作聲納導(dǎo)流罩材料，性能優(yōu)于ЛT3-B鈦合金。

表1 Ti-70、ЛT3-B鈦合金主元素成分對(duì)比

表2 Ti-70、ЛT3-B鈦合金板材的力學(xué)性能對(duì)比

2 Ti-70鈦合金關(guān)鍵工藝

通過對(duì)鈦合金導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鈦合金加工及焊接性分析，確定影響質(zhì)量的關(guān)鍵工藝有外板成形及校形、焊接變形控制、焊接質(zhì)量等3大方面。

2.1 外板成形及校形

導(dǎo)流罩內(nèi)外板均為線形復(fù)雜的雙曲面，成型后要求線形光順，表面質(zhì)量良好。由于鈦合金的強(qiáng)度高，厚向異性指數(shù)大，同時(shí)鈦合金的彈性模量小、回彈大，受壓時(shí)的穩(wěn)定性較低，因此，透聲板材成形難度非常大。板材的成形質(zhì)量是影響鈦合金導(dǎo)流罩建造質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

對(duì)于透聲板材，經(jīng)過多次的成形方案對(duì)比，最后選用無模多點(diǎn)成形方法。該方法的優(yōu)勢(shì)在于:成形中可通過對(duì)基本體的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)變形曲面的實(shí)時(shí)控制，隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài)，達(dá)到提高材料成形極限和成形精度的目的，從而使雙曲板材滿足線形要求。

在導(dǎo)流罩內(nèi)外板裝配前、焊接后，難免會(huì)出現(xiàn)局部?jī)?nèi)外板線形、間距等不滿足要求現(xiàn)象，因此對(duì)內(nèi)外板的校形也很關(guān)鍵。裝配前采用壓制方法對(duì)板材局部校形，焊接后采用局部焊接方法校形。

2.2 焊接變形控制

鈦合金導(dǎo)流罩為薄壁框架焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，加之鈦合金彈性模量小，因此在焊接應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生整體三維變形，如果這種變形一旦產(chǎn)生則是較難校正的。另外，鈦合金導(dǎo)流罩是內(nèi)、外板雙層結(jié)構(gòu)，板間距離較小，內(nèi)、外板的厚度較薄，而垂向、水平筋構(gòu)架又較密，焊縫密集，焊接時(shí)容易導(dǎo)致局部焊接變形，甚至造成整體變形。

制造過程中必須采取有效方法控制鈦合金導(dǎo)流罩的整體及局部焊接變形，主要措施如下:

(1)采用整體鋼質(zhì)胎架。外板的裝配、焊接均在整體鋼質(zhì)胎架中完成。將外板與鋼質(zhì)胎架采用拉馬拉緊，確保外板與鋼胎架內(nèi)側(cè)完全貼緊，這樣可以實(shí)現(xiàn)鈦合金導(dǎo)流罩外板的總體焊接變形控制與外形尺寸控制。

(2)采用變形控制工裝。焊接變形主要是因?yàn)楹缚p熱脹冷縮體積發(fā)生變化造成。如果焊縫固定端有足夠強(qiáng)度則焊接變形可得到有效控制，因此在焊前在焊縫上增加補(bǔ)強(qiáng)筋骨，以控制焊縫冷卻過程收縮，減少焊接變形影響。

(3)焊縫消應(yīng)處理。焊接變形分為瞬時(shí)變形和殘余變形2種，上述方法主要控制焊縫瞬時(shí)變形，對(duì)于殘余變形擬采用錘擊效應(yīng)清除。對(duì)焊縫多次及高速進(jìn)行錘擊，延展焊縫，能有效消除焊縫存在的殘余影響，避免焊縫補(bǔ)強(qiáng)工裝去除后產(chǎn)生殘余變形。

(4)編制合理的裝配和焊接工藝程序。合理的建造工藝程序不僅能確保產(chǎn)品制造過程的有條不紊，更重要的是可以減少結(jié)構(gòu)因焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力并使其處于均衡狀態(tài)。如果工藝程序不合理，則會(huì)出現(xiàn)局部變形甚至整體變形等系列問題。

2.3 焊接質(zhì)量保證

按照鈦合金導(dǎo)流罩的焊接特點(diǎn)以及控制焊接變形的要求，焊接質(zhì)量主要通過以下幾方面措施加以保證:

(1)采用確保焊縫質(zhì)量的最佳規(guī)范、氣體保護(hù)等工藝參數(shù)，使各種形式焊縫表面白亮、焊縫外部及內(nèi)部質(zhì)量符合技術(shù)要求，以避免焊縫及熱影響區(qū)高溫時(shí)吸收有害氣體，晶粒粗大等缺陷。

(2)在確保各種焊接接頭焊縫尺寸滿足圖紙要求前提下，采用最小線能量的焊接工藝參數(shù)以減少焊接變形。

(3)對(duì)焊縫進(jìn)行多道次檢驗(yàn)。

(4)選用有導(dǎo)流罩焊接經(jīng)驗(yàn)的焊接操作人員。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，已經(jīng)在多艘艦船導(dǎo)流罩修理中使用國(guó)產(chǎn)Ti-70鈦合金替代ЛT3-B鈦合金。外板成形、焊接中如何控制變形及保證焊接質(zhì)量等工藝方法，對(duì)其他鈦合金材料的導(dǎo)流罩修理有著指導(dǎo)意義。

［1］ 孫建科，孟祥軍，等.我國(guó)船用鈦合金研究、應(yīng)用及發(fā)展［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(21):33-36.

［2］ 寧興龍.俄羅斯艦船用鈦［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2003，20(6):28-31.

［3］ 蔣成禹，徐濟(jì)進(jìn)，等.俄羅斯海軍用鈦情況及我們的思考［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2003，20(6):32-36.

U672.1

B

2014-12-20

周惠元(1981—)，男，工程師，從事船舶設(shè)計(jì)工作;楊錕(1978—)，男，主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。