船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接技術(shù)及試驗研究

摘" 要：在船舶結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展的背景下，鋁合金材料逐漸應(yīng)用于船體制造。在鋼鋁結(jié)構(gòu)焊接時，技術(shù)工藝要求相對較高，因鋁合金與鋼材料之間存在較為顯著的特性差異，因而焊接時會遇到一些難題。而采取過渡接頭分別與鋼、鋁結(jié)構(gòu)進行連接，則可提升結(jié)構(gòu)密封度、保證結(jié)構(gòu)強度。為此，該文針對船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接展開試驗分析，通過外觀檢驗、表面無損探傷檢驗、X射線探傷檢驗以及力學(xué)性能檢驗，驗證采用不同焊接方法時過渡接頭的焊縫質(zhì)量，明確過渡接頭鋁基側(cè)與鋼基側(cè)分別與鋁合金及鋼結(jié)構(gòu)連接適用的焊接方法，確定過渡接頭焊接的坡口形式、焊接方案以及工藝要求，旨在為船舶鋼鋁結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)科學(xué)開展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：船體鋼鋁結(jié)構(gòu);過渡接頭;焊接試驗;鋁合金材料;船體制造

中圖分類號：U663.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0062-04

Abstract： Against the backdrop of the development of lightweight ship structures， aluminum alloy materials are gradually being applied in ship manufacturing. When welding steel-aluminum structures， the technical process requirements are relatively high. Due to the significant characteristics differences between aluminum alloys and steel materials， some difficulties will be encountered during welding. By adopting unused joints to connect steel and aluminum structures respectively， structural sealing can be improved and structural strength can be ensured. To this end， this paper carries out experimental analysis on the welding of ship steel-aluminum structure transition joints. Through appearance inspection， surface nondestructive flaw detection inspection， X-ray flaw detection inspection and mechanical properties inspection， the weld quality of the transition joints is verified when different welding methods are used. The applicable welding methods for connecting the aluminum base side and the steel base side of the transition joint to the aluminum alloy and steel structure respectively are clarified， and the groove form， welding plan and process requirements for the transition joint are determined. The purpose is to provide reference for the scientific development of ship steel-aluminum structure welding operations.

Keywords： hull steel and aluminum structure; transition joint; welding test; aluminum alloy material; hull manufacturing

鋼鋁過渡接頭焊接時，若界面溫度高于300 ℃，可能會出現(xiàn)晶面相變現(xiàn)象，會導(dǎo)致界面強度下降，進而引發(fā)接頭開裂現(xiàn)象[1]。為增強鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭的力學(xué)性能，需采用過渡接頭實施船體鋼鋁結(jié)構(gòu)的焊接作業(yè)，以此保障焊接質(zhì)量。由于船體鋼結(jié)構(gòu)與鋁結(jié)構(gòu)需要分別與過渡接頭的鋼基與鋁基相連，過渡接頭兩側(cè)焊接時所選用的焊接技術(shù)要有所區(qū)別，焊接后需通過力學(xué)性能檢驗，驗證焊接質(zhì)量，從而探尋出船體鋼鋁過渡接頭焊接技術(shù)的具體應(yīng)用方法。

1" 船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接試驗

1.1" 焊接方法

試驗項目為板材與鋼鋁過渡接頭焊接試驗，采用平角接、立角接2個焊接位置。船體鋁合金結(jié)構(gòu)與過渡接頭鋁基的連接，采用熔化極氬弧焊、鎢極氬弧焊2種方式，鋼結(jié)構(gòu)與過渡接頭鋼基相連區(qū)域，則采用焊條電弧焊、氣體保護焊焊接。以焊接方法的熱輸入為依據(jù)，劃分2個焊接組，熱輸入較多的鎢極氬弧焊、焊條電弧焊為一組，熱輸入較小的熔化極氬弧焊與氣體保護焊為一組。采用鎢極氬弧焊與焊條電弧焊時，所用鋁板厚度分別為3 mm與6 mm，展開2組焊接試驗，焊接位置分別是平角接與立角接。熔化極氬弧焊與氣體保護焊焊接時，鋁板規(guī)格均為6 mm，同樣在平角接與立角接2個位置分別進行一次焊接試驗。過渡接頭的形式如圖1所示。

1.2" 焊接材料及工藝參數(shù)

船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接試驗中，采用以DH36鋼為基層、1060純鋁為中間層、5083或6082鋁合金為復(fù)層制作而成的爆炸復(fù)合板條作為過渡接頭，3種材料的厚度分別是1.9、0.6、0.9 cm，鋼鋁過渡接頭的長度介于1至3 m之間，寬度為2.5 cm。鎢極氮弧焊及熔化極氬弧焊焊接所用焊絲牌號是5183，焊絲直徑分別是3.2 mm與1.2 mm，而焊條電弧焊與氣體保護焊，所用焊絲牌號分別是J48.57與JQ.YJ501-1，前者焊絲直徑為3.2 mm，后者為1.2 mm。船體鋼鋁過渡接頭焊接的工藝參數(shù)見表1。

1.3" 焊接性能檢驗

鋼鋁過渡接頭焊接試驗中，共開展4種檢驗項目。一是外觀檢驗，二是表面無損探傷檢驗，三是X射線探傷檢驗，四是力學(xué)性能檢驗。其中，表面無損探傷檢驗主要以滲透探傷檢驗為主，探傷率為100%。角接接頭性能檢驗需分別實施宏觀試驗與破斷試驗，試樣數(shù)量分別為1個與2個，按照CB/T 3748—1995《船用鋁合金焊接工藝評定》的要求截取與加工試樣[2]。焊接完成后，檢驗焊接試樣的外觀發(fā)現(xiàn)，其焊縫余高、寬幅均未超出規(guī)定的外觀指標，焊縫較為平整與美觀。應(yīng)用表面無損探傷檢驗后，發(fā)現(xiàn)焊縫表面合格，且X射線探傷檢驗后未發(fā)現(xiàn)存在裂紋、氣孔等焊接質(zhì)量缺陷。力學(xué)性能檢驗時，宏觀檢驗與破斷檢驗均符合規(guī)定標準。

1.4" 過渡接頭力學(xué)性能試驗

1.4.1" 拉脫試驗

按圖2（a）所示的形狀與尺寸加工工字截面試樣，開展拉脫試驗，通過施加拉應(yīng)力分離破斷結(jié)合界面，進而判定鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)界面的縱向結(jié)合強度，其中，R表示試樣半徑，F(xiàn)表示拉力值。同時，按圖2（b）加工圓形橫截面積試樣，對標距左、右、中部三處橫截面相互垂直的方面上的直徑進行測量，得出平均直徑后，以之作為橫截面面積計算依據(jù)，然后將計算出的面積中提取3個最小值，作為原始橫截面積數(shù)據(jù)。按照上述2個焊接組合，分別在平角接、立角接焊接過渡接頭后，實測得出的拉脫強度試驗實測數(shù)據(jù)分別是131、129、126和123 MPa，均高于110 MPa，達到了規(guī)定標準。

1.4.2" 剪切試驗

由于在鋁鋁復(fù)層提取剪切試樣難度較高，因而只針對鋼鋁界面展開剪切試驗。按照圖3所示的形狀及尺寸制作試樣，圖中的Oa與Ob代表均為軸線編號，W表示寬度。根據(jù)GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》規(guī)定裝配剪切試件、剪切夾具，之后采用壓應(yīng)力破斷鋼鋁結(jié)合界面，對復(fù)合材料的切向結(jié)合強度進行判斷。剪切試驗后，采用2個焊接組合，分別在平角接、立角接展開過渡接頭焊接后，得出的實測剪切強度值依次為97、89、96與93 MPa，數(shù)值均高于75 MPa，同樣符合規(guī)定標準。

2" 船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1" 過渡接頭坡口形式設(shè)計

考慮到鋁合金與鋼2種材料具備不同的焊接特性，因而鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接時，采用雙面開坡口形式，為確保焊接時鋁合金受熱產(chǎn)生的氣體能順暢排出，鋁基一側(cè)坡口角度應(yīng)設(shè)置為70°～90°，而鋼基一側(cè)的坡口角度只需設(shè)置為50°～60°即可。應(yīng)根據(jù)鋁基或鋼基兩層的厚度確定坡口的深度。為了保證焊接時鋁基與鋼基的結(jié)合強度，焊接時需采用界面深度的坡口，無需下調(diào)焊接深度，但可結(jié)合運用其他工藝方式，對溫度擴散產(chǎn)生限制，以防止焊縫接觸區(qū)域出現(xiàn)相變問題，以免因焊接熔池下降而導(dǎo)致鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭的界面強度降低[3]。過渡接頭的坡口形式如圖4所示。對于采取端部角接形式的鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭，其鋼基層與鋁基層均應(yīng)設(shè)置朝外的坡口，坡口角度要分別設(shè)置為50°～60°、70°～90°，如此一來，可免去樹脂材料填充環(huán)節(jié)，因坡口之間不具備較大的間隙，因而會降低焊接的填充量，也可減少焊接時的熱輸入，可對船體結(jié)構(gòu)變形起到良好的控制，并能有效避免鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭出現(xiàn)界面溫度偏高的問題。

2.2" 過渡接頭焊接工藝的實施

2.2.1" 過渡接頭焊接改進方案

過渡接頭焊接時，焊接溫度逐步升高時，船體鋼鋁過渡接頭的界面強度會逐漸下降，在溫度高于300 ℃時，界面強度的下降幅度相對較大。且焊接熱量越大、焊接速度越慢，界面溫度越高，電流越大、電壓越高時，界面溫度也越高[4]。為此，焊接時應(yīng)選取熱輸入低、焊接速度快的焊接方式，可以提高船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭的焊接質(zhì)量。鋁基一側(cè)應(yīng)用熔化極氬弧焊、鋼基一側(cè)采用氣體保護焊焊接方式時，焊接時的熱輸入相對較低，利于提高鋼-鋁界面的結(jié)合強度。同時，為了降低焊接時鋼基一側(cè)與鋼鋁界面的溫度值，鋼基一側(cè)的焊接應(yīng)先利用鎢極氬弧焊打底，然后再采用氣體保護焊填充覆蓋。針對過渡接頭的平對接、平角接2個焊接位置展開焊接試驗，試驗項目見表2。

焊接后通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭處并未出現(xiàn)界面分離現(xiàn)象，只是在應(yīng)用氣體保護焊對過渡接頭進行焊接處理的過程中，由于工藝調(diào)試因素的影響出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。筆者認為，在焊接熱輸入量不大時，過渡接頭接觸點的最大溫度具有可控性，因而鋼鋁界面不會出現(xiàn)較大的相變區(qū)域，可保障過渡接頭兩側(cè)的焊接質(zhì)量，且結(jié)構(gòu)受力而出現(xiàn)形變趨勢時，過渡接頭焊接接觸點也不會形成集中受力，船體鋼鋁結(jié)構(gòu)的強度能達到設(shè)計強度要求。

2.2.2" 過渡接頭焊接工藝要求

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，焊接過渡接頭時，鋼結(jié)構(gòu)與鋼基一側(cè)的焊接采用鎢極氬弧焊+氣體保護焊的焊接形式，比單純采用焊條電弧焊效果更佳，但對焊接操作人員的技術(shù)能力要求較高。為防止因打底焊接操作失誤而引發(fā)鋼鋁界面發(fā)生相變而導(dǎo)致界面結(jié)合強度下降，可進一步縮小鋼結(jié)構(gòu)與過渡接頭鋼基一側(cè)的坡口深度，使之與界面間的距離高于3 mm，如此雖會導(dǎo)致鋼基強度略微降低，但能防止過渡接頭界面出現(xiàn)相變問題。鋼鋁過渡接頭是由不同類型金屬連接而成的復(fù)合材料，其切割與加工時，應(yīng)盡可能采用水刀切割、機械切割2種非加熱方法，以免切割時溫度過大而對材料性能產(chǎn)生不利影響[5]。過渡接頭焊接時，起弧電流值應(yīng)調(diào)高至正常焊接電流的1.5倍，收弧時要將電流降至正常電流的60%左右，以免弧坑處形成凹陷或出現(xiàn)裂紋。鋁合金鎢極氬弧焊應(yīng)采用左向焊法，結(jié)合需求添加焊絲，鎢極應(yīng)比噴嘴長出3～6 mm，且焊絲及工件之間的角度應(yīng)控制在10°左右，噴嘴邊緣與工件之間要留有70°至80°的角度空間，弧長應(yīng)控制在4～7 mm之間?；】犹顫M后方可斷弧，但不能立即停氣，應(yīng)持續(xù)送氣15 s左右，在焊縫冷卻再移走焊嘴。

3" 結(jié)束語

針對船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭展開焊接試驗，鋁基一側(cè)與鋁合金結(jié)構(gòu)連接采用了鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊2種焊接方法，而鋼基一側(cè)與鋼結(jié)構(gòu)連接時則應(yīng)用焊條電弧焊及氣體保護焊，分別在平角接、立角接2個焊接位置實施焊接。通過外觀、表面探傷、X射線探傷檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量達到了規(guī)定的質(zhì)量要求，采取拉脫試驗、剪切試驗驗證過渡接頭界面縱向結(jié)合強度與切向結(jié)合強度也達到了規(guī)定標準。而后設(shè)計了合理的過渡接頭坡口形式，并提出了過渡接頭焊接改進方案，總結(jié)了焊接操作工藝要求，為船體鋼鋁結(jié)構(gòu)過渡焊接的高質(zhì)量開展提供了可行性的焊接技術(shù)。

參考文獻：

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