先進(jìn)焊接技術(shù)在水下裝備中的應(yīng)用分析

王晉忠, 柴 斐, 汪卓然, 高林山, 董 鵬,*

(1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局, 陜西 西安 710054;2.中國(guó)船舶集團(tuán)汾西重工有限責(zé)任公司, 山西 太原 030022;3.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

0 引 言

我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)約18 400 km,可管轄的海域面積達(dá)3×106km2。因此,提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力,維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益,保障國(guó)家領(lǐng)海安全,已成為刻不容緩的戰(zhàn)略任務(wù)。水下裝備是一類(lèi)可輔助或替代人類(lèi)在復(fù)雜、高危的水下特殊環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的軍民兩用型裝備,是海洋開(kāi)發(fā)和海洋防衛(wèi)不可或缺的關(guān)鍵元素。隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的確立,要求海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋權(quán)益維護(hù)由近海、淺海向遠(yuǎn)海、深海拓展,相應(yīng)的水下裝備也必然向長(zhǎng)航時(shí)、大水深方向發(fā)展[1-2]。因而,水下裝備用耐壓殼體材料也呈現(xiàn)出高強(qiáng)化和輕量化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

鈦合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕和無(wú)磁的特性,是深海環(huán)境用耐壓殼體的理想材料[3-4]。焊接是耐壓殼體建造過(guò)程中不可或缺的技術(shù),很大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量以及服役可靠性。然而,眾所周知,鈦合金在300 ℃以上開(kāi)始快速吸氫、450 ℃以上開(kāi)始快速吸氧、600 ℃以上開(kāi)始快速吸氮,因而焊縫的氣孔傾向和脆化傾向明顯[5];此外,鈦合金的彈性模量小,而屈服強(qiáng)度高,因而焊接變形大且不易矯正。特別是考慮到耐壓殼體服役在高水壓和高鹽度環(huán)境,面臨較大的應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn),因而,需要先進(jìn)的焊接技術(shù),以保障耐壓殼體承壓焊縫的質(zhì)量。

水下裝備用耐壓殼體以圓筒和錐筒為主,受限于鍛造設(shè)備能力和加工成本,一般采用中厚板卷制+焊接的方式完成,殼體上的焊縫主要包括卷筒縱縫、筒-法蘭的環(huán)縫以及筒/孔座的相貫線焊縫(管-管插接對(duì)接平焊縫),如圖1所示。

圖1 水下裝備耐壓殼體主承載焊縫

文中針對(duì)鈦合金的真空電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊和等離子弧焊的接頭組織性能特點(diǎn)進(jìn)行梳理,并分析它們?cè)阝伜辖鹉蛪簹んw建造中的適用性和潛在難點(diǎn),以期為鈦合金耐壓殼體的高質(zhì)量建造提供技術(shù)參考。

1 鈦合金耐壓殼體的真空電子束焊

真空電子束焊是利用加速后的電子束流(0.3～0.7倍的光速)作為焊接熱源,通過(guò)電子束與被焊金屬原子的非彈性散射,將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能,使金屬迅速熔化,隨后在真空環(huán)境中冷卻結(jié)晶形成焊縫[6]。電子束的熱源密度(105～109 W/cm2)在所有焊接熱源中居于首位,幾乎可以勝任所有材料的焊接。

對(duì)于鈦合金,真空電子束焊的使用幾乎可以杜絕所有與氣體有關(guān)的缺陷(氣孔和焊縫氧化),接頭強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到0.95以上[7-8],無(wú)須開(kāi)坡口,無(wú)須使用填充材料,并且熱影響區(qū)窄,焊接變形小。此外,電子束的自動(dòng)化程度高,能夠通過(guò)焊槍的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間曲線的一致性焊接。

大量研究報(bào)道表明[7-10],由于電子束焊接過(guò)程極快的冷卻速度,鈦合金焊縫為針狀馬氏體α′相彌散分布在柱狀晶內(nèi),熱影響區(qū)存在較顯著的組織不均勻性,隨著距熔合區(qū)距離增大,β相組織含量逐漸降低,初生α相含量逐漸升高,其組織轉(zhuǎn)變機(jī)理如圖2所示。

圖2 鈦合金電子束焊熱影響區(qū)組織形成機(jī)理示意圖

由于針狀馬氏體的存在,焊縫的韌性下降,主要表現(xiàn)為沖擊功和斷裂延伸率有不同程度的降低。從NB/T 47014的要求來(lái)看,電子束焊接完全能夠滿(mǎn)足耐壓殼體的焊接質(zhì)量要求。

由于電子束焊屬于動(dòng)能焊接,電子束會(huì)破壞熔池底部的表面張力,因而在不使用背部墊板時(shí),焊縫背面成型較差,經(jīng)常表現(xiàn)為背面咬邊和噴濺,如圖3所示。

圖3 鈦合金電子束背面成型效果

因此,電子束焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先考慮使用鎖底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其次是背面施加襯墊。電子束焊接對(duì)工件的組對(duì)間隙要求嚴(yán)格,超標(biāo)的間隙必然會(huì)導(dǎo)致電子束流切割工件。

綜上,從鈦合金耐壓殼體的焊縫特點(diǎn)而言,卷圓縱縫的對(duì)接間隙控制難度大,也無(wú)法使用鎖底結(jié)構(gòu),后續(xù)的校圓工序?qū)缚p背面成型要求嚴(yán)格,因此該焊縫不適合使用電子束焊接;在真空室尺寸能滿(mǎn)足要求的情況下,電子束焊是耐壓殼體環(huán)縫和相貫線焊縫的理想成型方法,“奮斗者”號(hào)載人潛水器鈦合金載人艙赤道焊縫就是通過(guò)電子束焊接完成的,如圖4所示[4]。

(a) 半球沖壓成型

2 鈦合金耐壓殼體的激光-電弧復(fù)合焊

激光復(fù)合焊技術(shù)原理和接頭橫截面典型特征如圖5所示。

(a) 激光復(fù)合焊技術(shù)原理

激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)是將激光和電弧兩種物理性質(zhì)完全不同的熱源復(fù)合在一起的技術(shù)[6],其技術(shù)原理見(jiàn)圖5(a)。

激光-電弧復(fù)合焊不僅是激光熱源和電弧熱源簡(jiǎn)單的疊加,其熱源的耦合機(jī)理比較復(fù)雜,普遍認(rèn)為[6,11]：激光能量密度高,在金屬上方產(chǎn)生大量光致等離子體,光致等離子體會(huì)吸收反射一部分激光能量,激光能量利用率降低,加入電弧后,光致等離子體被稀釋,激光利用率提高;電弧的作用范圍較大,作用于工件表面,工件溫度提高,提高了工件對(duì)激光的吸收率,增加了熔深;激光能量密度高,使得金屬瞬間熔化,大量熔融金屬為電弧提供了自由電子,降低了電弧通道的電阻,使得電弧能夠穩(wěn)定燃燒,激光對(duì)電弧具有穩(wěn)弧和引導(dǎo)作用。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)既能發(fā)揮激光焊接和傳統(tǒng)電弧焊接的優(yōu)勢(shì),又可以避免各自的缺點(diǎn),使得激光-電弧復(fù)合焊接取得了 “1+1>2” 的效果。

1)降低了復(fù)合焊對(duì)間隙和錯(cuò)邊精度的要求;

2)增加了焊縫的熔深;

3)增加焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖5(b)是激光電弧復(fù)合焊接頭典型橫截面,可以看出,焊縫呈明顯高腳杯狀,這是因?yàn)樵嚰敳康娜刍呻娀≈鲗?dǎo),因而寬而淺;底部的熔化由激光主導(dǎo),焊縫窄而深。通常根據(jù)焊接能量密度的不同,焊縫處分為焊縫頂部電弧作用區(qū)、中部混合作用區(qū)、底部激光作用區(qū)。一般而言,鈦合金激光電弧復(fù)合焊接頭的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到0.9以上[11]。對(duì)于退火態(tài)TC4鈦合金,接頭強(qiáng)度系數(shù)甚至可以達(dá)到1.0[12]。

激光-電弧復(fù)合焊特別適合鈦合金耐壓殼體的環(huán)縫焊接,由于空間尺寸不受限制,多用于大型艙段的合攏焊接,如圖6所示。

圖6 某大型鈦合金耐壓殼體激光電弧復(fù)合焊合段

3 鈦合金耐壓殼體的等離子弧焊

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源,對(duì)母材金屬進(jìn)行加熱以及熔化,并獲得焊接接頭的一種高能束熔焊方法[6]。穿透型等離子弧焊接原理如圖7所示。

圖7 穿透型等離子弧焊原理圖

由于弧柱受到極大程度的壓縮,等離子弧噴出速度較快,焊件被完全穿透,此時(shí)在焊接熔池中形成貫穿整個(gè)焊件的小孔,在焊件背面還會(huì)出現(xiàn)尾焰。等離子弧隨著焊接方向進(jìn)行不斷的移動(dòng),熔化的金屬受到表面張力的作用,沿著小孔兩側(cè)的固體壁面向熔池后方流動(dòng),不斷地將形成的小孔封鎖形成焊縫[6]。與 TIG 焊相比,等離子弧焊接的能量集中、焊接速度快、焊接薄板金屬材料時(shí)造成的焊件變形小。

等離子弧焊接頭橫截面典型形貌如圖8所示。

圖8 鈦合金等離子弧焊接頭典型橫截面形貌

從圖8可以看出,相較于高能束流焊,其焊縫晶粒明顯粗大。因而,焊縫通常是接頭力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié),斷裂一般發(fā)生在焊縫位置,但依然能維持較大的強(qiáng)度系數(shù)(0.8～0.9)[13-14]。需要注意的是,等離子弧焊焊縫的沖擊韌性較母材顯著下降[15]。

對(duì)于鈦合金耐壓殼體,等離子弧焊特別適合于卷筒縱縫的焊接,主要得益于厚板的單面焊雙面成型質(zhì)量、生產(chǎn)效率高和對(duì)組對(duì)間隙的較大容忍度;其次是環(huán)縫,由于環(huán)縫成型后期涉及焊縫的搭接,這對(duì)于焊接操作人員的技能水平要求較高;受限于孔座的尺寸和空間位置,等離子弧焊不適合孔座相貫線焊縫的成型。

4 鈦合金耐壓殼體的攪拌摩擦焊

眾所周知,攪拌摩擦焊是利用攪拌頭與工件間的摩擦產(chǎn)熱和金屬的塑性變形熱加熱、軟化金屬,金屬攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和行進(jìn)過(guò)程中發(fā)生塑性遷移,形成致密的焊縫,如圖9所示。

圖9 攪拌摩擦焊原理圖

由于焊縫是在熱塑性狀態(tài)下受擠壓完成的,因而組織致密、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)異[16]。

迄今為止,攪拌摩擦焊在鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料的連接上取得了巨大的成功[17]。對(duì)鈦合金而言,由于其較高的熔點(diǎn),致使攪拌頭磨損嚴(yán)重,制約了該技術(shù)的應(yīng)用[18]。對(duì)于TC4鈦合金攪拌摩擦的研究表明[19],攪拌區(qū)的組織為原始β相、轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗪推瑺瞀料? 熱機(jī)影響區(qū)由于熱和塑性變形的雙重作用,原來(lái)的帶狀α相經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸α相晶粒; 熱影響區(qū)由于熱的作用,β相增多,而α相減少。Liu F C等[20]對(duì)Ti-6Al-4V 鈦合金 FSW 接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的 92%,斷裂位置在焊核區(qū),呈典型的韌性斷裂。欒國(guó)紅等[21]對(duì)Ti-6Al-4V 鈦合金攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能研究表明,接頭強(qiáng)度系數(shù)可以達(dá)到0.9,但延伸率僅有1.8%;Sungook Y等[22]指出,當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 250 r /min,焊接速度在 50 ～ 100 mm /min 時(shí),Ti-6Al-4V 鈦合金 FSW 接頭延展性隨焊接速度的增加而減小。

相較于鋁合金,其攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用進(jìn)展緩慢,還是以實(shí)驗(yàn)室研究為主,但其高強(qiáng)度、小變形、低能耗、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)在鈦合金耐壓殼體的成型中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著研究者在鈦合金耐磨攪拌摩擦材料、無(wú)匙孔技術(shù)等方面研究的不斷深入,該技術(shù)在殼體縱縫、法蘭環(huán)縫和上的應(yīng)用前景巨大。

5 結(jié)論與展望

鈦合金以其獨(dú)有的特點(diǎn)被譽(yù)為海洋金屬,隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入,未來(lái)必將大量用于水下裝備的建造中。通過(guò)梳理鈦合金的真空電子束焊、激光-電弧復(fù)合焊、等離子弧焊和攪拌摩擦焊的特點(diǎn),結(jié)合水下裝備的焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn),總結(jié)4種焊接方法在鈦合金耐壓殼體上的應(yīng)用優(yōu)劣,見(jiàn)表1。

表1 先進(jìn)焊接方法在鈦合金耐壓殼體上的應(yīng)用分析

從表1可以看出,單一的電子束焊、激光-電弧復(fù)合焊或者等離子弧焊都無(wú)法完成耐壓殼體三條焊縫的成型,攪拌摩擦焊可以勝任,前提是解決好攪拌頭的磨損以及無(wú)匙孔焊接工藝,這也是鈦合金的攪拌摩擦焊進(jìn)入到工程應(yīng)用前的挑戰(zhàn)。