國外新型金屬材料及焊接技術的開發(fā)與應用

王曉峰 趙國慶

（中國人民解放軍91206 部隊，山東 青島 266000）

為了有效加強潛艇作戰(zhàn)將性能，有必要深入研究新型金屬材料和焊接技術，將其應用到潛艇中，充分發(fā)揮作用，使得潛艇各方面能力得以提升。20 世紀50年代起，西方諸多國家便開始研制結(jié)構(gòu)鋼，這類材料不僅高強度、高韌性，而且也具備耐壓殼體，這些優(yōu)勢使得潛艇在下潛時，其深度可以從200 米提高到600米，其中蘇聯(lián)潛艇引入了鈦合金材料，使得下潛深度達到了1000 米以上。通過高強度耐腐蝕緊固件材料的研制，使得潛艇連接部件更加安全、可靠，很大程度上降低了維修成本。綜合來看，各個國家不同新型金屬材料和焊接技術的開發(fā)與應用，對提高潛艇性能產(chǎn)生了重要促進作用，有利于增強潛艇作戰(zhàn)性能。

1 潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)材料開發(fā)與應用

分析潛艇作業(yè)環(huán)境可知，一般都低于幾百米的深海環(huán)境，要求潛艇要具備敵方兵器水中攻擊的防御能力，因此，要求潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)材料必須具備較強的性能，在強度、韌性、抗爆性等方面必須達到一定水平，此外，也要具備足夠的焊接性、成型性，潛艇可以耐受海水腐蝕，具有較強的抗疲勞性。下文主要從各個國家實際情況入手，具體分析不同國家在潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)材料開發(fā)、應用方面的情況。

1.1 法國

縱觀全球范圍內(nèi)，法國在潛艇研究中采用了先進耐壓殼體結(jié)構(gòu)鋼。20 世紀80 年代后期，引入了100H LES 鋼材料，將其用于大型彈道導彈核潛艇“凱旋”級的耐壓殼體，此類潛艇自20 世紀90 年代開始投入使用，其排水量可以達到14335 噸，航速25kn。

1.2 英國、德國等國家

根據(jù)相關報道，俄羅斯的“庫爾斯克”號核潛艇的耐壓殼體材料，與美國HY-130 鋼材料極為相似，此外，俄羅斯也開始使用鈦合金建造一系列不同等級的核潛艇，根據(jù)該國報道，名為“奧斯卡”級核潛艇，在投入使用后，其下潛工作深度可以達到1000-1300米[1]。另外，澳大利亞、英國等國家的潛艇也應用Q2N和BIS812EMA 鋼。除此之外，英國也在積極研究Q3N鋼。而德國在建造潛艇時引入了低磁鋼，成為世界首例，該類材料的屈服強度與HY-80 鋼水平非常相近。

1.3 美國

1.3.1 非耐壓殼體用結(jié)構(gòu)鋼

20 世紀80 年代，美國就已經(jīng)開始開發(fā)HSLA-80和HSLA-100 鋼，這類結(jié)構(gòu)鋼在實際應用中表現(xiàn)出非常突出的可焊性，并且應用成本也非常低，可以取代以往美國研究的具有機械性能等級的HY-80 和HY-100。由于屬于非耐壓殼體用鋼，所以在建造過程中降低甚至取消預熱，大大降低了建造成本。

1.3.2 配套鑄鍛鋼研究

從美國航空母艦、潛艇每年需要量看，HY-80，HY-100 鋼鑄鍛件均需要250 噸，艦艇年均需求量會達到1100 噸。從鑄鍛件實際應用情況看，往往暴露出諸多問題，比如，若是熱處理不合理，會導致鑄鍛件硬度過高，直接降低了韌性；鑄件非常容易產(chǎn)生氫，導致鑄鍛件出現(xiàn)裂縫；在焊接鑄鍛件時，往往需要進行預熱，導致成本增加等問題[2]。美國海軍提出這些問題后，美國金屬加工技術中心根據(jù)具體要求，致力于在工藝方面解決上述問題，從其實踐情況看，主要就是用均熱處理、數(shù)學模型等緩解鑄件氫產(chǎn)生問題，達到降低裂縫問題的目的；還嘗試調(diào)整鑄鍛件化學成分、改善熱處理工藝，希望可以降低，甚至直接取消焊接預熱情況，進而提升鑄鍛件強度、韌性要求的目的。通過這些處理后，可以節(jié)省很大一筆預熱費用。

1.3.3 新焊接材料與工藝

美國從建造新型核動力航空母艦經(jīng)驗出發(fā)，致力于研究出新型焊接材料與工藝，并將其應用到新型潛艇中，可以總結(jié)為以下幾個方面：

1.美國在海軍制造技術研究中，提出了SMAW 研究項目，該材料可以增強金屬極電弧焊SMAW 焊條的防彈性。在美國首艦CVN-78 建造中，為了滿足防彈性能要求，所有的HSLA-100 和HY-100 鋼都應用了直徑3.2 毫米的MIL-10718-M 焊條[3]。但從實踐應用情況看，這類焊條廢品率問題較為明顯，需要深入研究和分析，找出原因，而后采取相應措施解決，比如，可以嘗試著擴大焊條規(guī)格，研究2.38 毫米和3.97 毫米焊條的應用，這就需要注重提升焊條制造水平，強化檢驗效果，明確要求焊條制造廠可以保證焊條成批生產(chǎn)，促使造船廠全面檢驗。

2.開發(fā)熔劑芯焊條，這種類型的焊條在實際應用中具有非常突出的經(jīng)濟性，可以很好地連接高強度鋼，并且具有低錳煙霧特點，該研究也是美國海軍制造技術計劃的研究項目，主要目的就是減少焊工和錳煙霧，還有其他煙霧接觸的機會。該類型焊接材料在實際應用中，并不會增加焊縫中氣孔，也不會致使氫含量擴散，這與海軍對焊縫要求和船廠使用特性相適應，將其應用到潛艇建造中可以很好地提高生產(chǎn)率，同時也能夠改善焊工工作環(huán)境。所有水面艦艇使用HSLA-80、HSLA-100 鋼，都可以使用此焊條進行焊接，此外，也可以使用“弗吉尼亞”級潛艇，可以起到減輕重量的效果，獲得不錯的應用效果。

3.為了降低預熱溫度，可以通過高線能量焊接HS LA-100 厚板。美國海軍在該項目研究中，研究經(jīng)費投資了179 萬美元，該焊接工藝，主要目的就是利用高線能量，取代較低的預熱溫度，在此基礎上，可以運用25.4 毫米以上的脈沖氣保焊、10.2 毫米HSLA-100厚度的埋弧焊，從而改善氫致開裂的情況，該類先進技術也可以應用到潛艇建造中[4]。

1.3.4 采用低匹配強度焊縫金屬技術

潛艇與水面艦艇建造開始廣泛應用高強度鋼，這使得焊縫強度匹配問題日益突顯，對此，美國海軍也開始注重這一點，并逐步嘗試在先進潛艇耐壓殼體建造時，應用鋼HY-80、HY-lO0、HY-130，將鋼HSLA-801、HSLA-100 應用到非耐壓殼體中，主要是以往經(jīng)驗中，利用匹配強度焊縫金屬時，導致焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生氫致裂縫的問題。所以，為了解決這種裂縫問題，應當進行預熱處理，并做好層間溫度、焊后熱處理溫度，這直接增加了焊接成本。為有效降低焊接費用，同時也有效防止熱影響區(qū)出現(xiàn)開裂的問題，西方國家開展了低匹配強度焊縫可行性研究，并通過實驗進行了有效驗證，經(jīng)過對這種低匹配焊縫時的檢驗，可以看出該技術能夠很好地適應各種負載條件，有利于提高結(jié)構(gòu)完整性。從美國實踐看，將該種技術應用在了“海狼”號、新型攻擊型核潛艇的焊縫上。實踐證明，美國潛艇、航空母艦無論是應用HY 系列鋼還是使用HSLA 系列鋼，引入低匹配強度焊縫技術后，都可以大大降低預熱、層間溫度和焊后熱處理溫度，甚至直接取消，這可以很大程度上減少熱影響區(qū)的開裂敏感性[5]，從而有效提升生產(chǎn)率，最大程度上降低建造成本。根據(jù)美國海軍船廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在勞動力、材料、生產(chǎn)率等方面，應用該技術后，一艘航空母艦會節(jié)約成本大約1000 萬美元，而潛艇則可以節(jié)約1500 萬美元。

美海軍艦艇在后續(xù)研究中，還嘗試使用與屈服強度552-900MPa(80－130ksi)鋼焊接相適應的焊接材料，這類焊接材料可以取消或者大大降低預熱溫度，在20世紀90 年代，開發(fā)了符合專利焊條，該焊條符合美國海軍MIL－E－23765/2E 焊條性能要求，即“熔敷低碳貝氏體-鐵素體焊縫用焊條”（焊條A）、“高強度低合金鋼保護金屬極點弧焊先進焊條”（焊條B），為美國航空母艦、潛艇高強度鋼殼體焊接提供了有力支持。兩個焊條的化學成分和美軍標焊條比較情況，如表1 所示。

表1 美軍標焊條與焊條A、焊條B 化學成分比較

2 高強度耐腐蝕緊固件材料開發(fā)與應用

現(xiàn)階段，潛艇用MoneK 500 合金緊固件，會出現(xiàn)較為嚴重的腐蝕問題，為了解決這一問題，同時也減少維修成本，進一步延長潛艇使用壽命，美軍加大力度開發(fā)高強度船用級緊固件，從其研究具體內(nèi)容看，除了制定具體的高強度緊固件指南之外，還進行了MP98T 材料的腐蝕試驗。此外，為進一步明確加工具體條件，開始嘗試制造出一小批量大直徑MP98T 緊固件，對進行了性能評定，最終提出修改緊固件訂購標準的建議，為解決緊固件腐蝕問題提供了有力支撐。

分析MP98T 材料可知，主要是建立在宇航用材料MP159 之上，經(jīng)過冷加工、時效處理后，與性能指標保持一致。這種材料的強化機理主要就是利用基體內(nèi)部分固態(tài)相，經(jīng)由冷加工時結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，發(fā)生多相反應，主要是因為合金內(nèi)含有高鉆。如表2 所示，為合金的化學成分，而對應的機械性能主要為：屈服強度(0.2%)為1173MPa(170ksi)，極限抗拉強度為1276.5MPa(185ksi)，斷裂韌性≥625.5MPa·m1/2(200ksi·in1/2)，伸長率為20%，斷面收縮率為55%?，F(xiàn)階段，MP98T 合金緊固件最大直徑可以制作成89 毫米，滿足了部分核潛艇使用需求。

表2 MP98T 緊固件的化學成分

3 Ti-5111 鈦鐵合金

20 世紀80 年代末，美國相關機構(gòu)進一步研究，最終研制成Ti-5111 鈦合金，這類材料與以往Ti 合金相比，在強度方面要更高，并且成本非常低。Ti-5111 鈦合金的強度較強，具有非常明顯的可焊性，并且在耐海水應力、腐蝕開裂能力方面都表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢。在實際應用中，要比Ti 6A 14V ELI 鈦合金更為適用。目前，Ti-5111 合金已經(jīng)加工成6-51 毫米厚度板材，還可以制成條材、棒材、鍛件、鑄件。此外，也可以使用鎢極氣保焊制成25.4 毫米、51 毫米厚度的焊件，通過激光錘擊試驗，可以進一步增強其疲勞強度，在此基礎上，通過對其在海洋中實踐應用性能的評定，發(fā)現(xiàn)Ti-5111 鈦合金具有中等強度、較好的耐蝕性、優(yōu)良韌性、室溫抗蠕變性等諸多特性，可以成為非常實用的緊固件材料，符合艇用緊固件使用需求。

4 結(jié)語

總而言之，通過本文對美國、法國、澳大利亞等國家在潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)材料開發(fā)與應用情況以及高強度耐腐蝕緊固件材料開發(fā)與應用、Ti-5111 鈦鐵合金的分析，不難發(fā)現(xiàn)，新型金屬材料及焊接技術的研制與使用，可以很好地提高潛艇隱蔽性，提升其抗爆能力，尤其是低匹配強度焊縫金屬技術的應用，可以很好地降低建造成本，同時，也很大程度上提高了潛艇安全可靠性，有助于降低維修成本，我國軍隊在研究中可以積極借鑒、學習。