先進焊接技術在水下裝備中的應用分析

王晉忠, 柴 斐, 汪卓然, 高林山, 董 鵬,*

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

0 引 言

我國大陸海岸線長約18 400 km,可管轄的海域面積達3×106km2。因此,提高海洋資源開發能力,維護國家海洋權益,保障國家領海安全,已成為刻不容緩的戰略任務。水下裝備是一類可輔助或替代人類在復雜、高危的水下特殊環境中進行作業的軍民兩用型裝備,是海洋開發和海洋防衛不可或缺的關鍵元素。隨著我國海洋強國戰略的確立,要求海洋資源開發和海洋權益維護由近海、淺海向遠海、深海拓展,相應的水下裝備也必然向長航時、大水深方向發展[1-2]。因而,水下裝備用耐壓殼體材料也呈現出高強化和輕量化的發展趨勢[2]。

鈦合金具有輕質、高強、耐蝕和無磁的特性,是深海環境用耐壓殼體的理想材料[3-4]。焊接是耐壓殼體建造過程中不可或缺的技術,很大程度上決定了產品的質量以及服役可靠性。然而,眾所周知,鈦合金在300 ℃以上開始快速吸氫、450 ℃以上開始快速吸氧、600 ℃以上開始快速吸氮,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境,面臨較大的應力腐蝕風險,因而,需要先進的焊接技術,以保障耐壓殼體承壓焊縫的質量。

水下裝備用耐壓殼體以圓筒和錐筒為主,受限于鍛造設備能力和加工成本,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-法蘭的環縫以及筒/孔座的相貫線焊縫(管-管插接對接平焊縫),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進行梳理,并分析它們在鈦合金耐壓殼體建造中的適用性和潛在難點,以期為鈦合金耐壓殼體的高質量建造提供技術參考。

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,通過電子束與被焊金屬原子的非彈性散射,將電子的動能轉化成熱能,使金屬迅速熔化,隨后在真空環境中冷卻結晶形成焊縫[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的缺陷(氣孔和焊縫氧化),接頭強度系數可達到0.95以上[7-8],無須開坡口,無須使用填充材料,并且熱影響區窄,焊接變形小。此外,電子束的自動化程度高,能夠通過焊槍的運動實現空間曲線的一致性焊接。

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

圖2 鈦合金電子束焊熱影響區組織形成機理示意圖

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的要求來看,電子束焊接完全能夠滿足耐壓殼體的焊接質量要求。

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

圖3 鈦合金電子束背面成型效果

因此,電子束焊接結構應優先考慮使用鎖底結構設計,其次是背面施加襯墊。電子束焊接對工件的組對間隙要求嚴格,超標的間隙必然會導致電子束流切割工件。

綜上,從鈦合金耐壓殼體的焊縫特點而言,卷圓縱縫的對接間隙控制難度大,也無法使用鎖底結構,后續的校圓工序對焊縫背面成型要求嚴格,因此該焊縫不適合使用電子束焊接;在真空室尺寸能滿足要求的情況下,電子束焊是耐壓殼體環縫和相貫線焊縫的理想成型方法,“奮斗者”號載人潛水器鈦合金載人艙赤道焊縫就是通過電子束焊接完成的,如圖4所示[4]。

(a) 半球沖壓成型

2 鈦合金耐壓殼體的激光-電弧復合焊

激光復合焊技術原理和接頭橫截面典型特征如圖5所示。

(a) 激光復合焊技術原理

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

激光-電弧復合焊不僅是激光熱源和電弧熱源簡單的疊加,其熱源的耦合機理比較復雜,普遍認為[6,11]：激光能量密度高,在金屬上方產生大量光致等離子體,光致等離子體會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,使得電弧能夠穩定燃燒,激光對電弧具有穩弧和引導作用。

激光-電弧復合焊接技術既能發揮激光焊接和傳統電弧焊接的優勢,又可以避免各自的缺點,使得激光-電弧復合焊接取得了 “1+1>2” 的效果。

1)降低了復合焊對間隙和錯邊精度的要求;

2)增加了焊縫的熔深;

3)增加焊接過程的穩定性。

圖5(b)是激光電弧復合焊接頭典型橫截面,可以看出,焊縫呈明顯高腳杯狀,這是因為試件頂部的熔化由電弧主導,因而寬而淺;底部的熔化由激光主導,焊縫窄而深。通常根據焊接能量密度的不同,焊縫處分為焊縫頂部電弧作用區、中部混合作用區、底部激光作用區。一般而言,鈦合金激光電弧復合焊接頭的強度系數可達到0.9以上[11]。對于退火態TC4鈦合金,接頭強度系數甚至可以達到1.0[12]。

激光-電弧復合焊特別適合鈦合金耐壓殼體的環縫焊接,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,對母材金屬進行加熱以及熔化,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,此時在焊接熔池中形成貫穿整個焊件的小孔,在焊件背面還會出現尾焰。等離子弧隨著焊接方向進行不斷的移動,熔化的金屬受到表面張力的作用,沿著小孔兩側的固體壁面向熔池后方流動,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性能的薄弱環節,斷裂一般發生在焊縫位置,但依然能維持較大的強度系數(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量、生產效率高和對組對間隙的較大容忍度;其次是環縫,由于環縫成型后期涉及焊縫的搭接,這對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熱和金屬的塑性變形熱加熱、軟化金屬,金屬攪拌頭的旋轉和行進過程中發生塑性遷移,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下受擠壓完成的,因而組織致密、晶粒細小、力學性能優異[16]。

迄今為止,攪拌摩擦焊在鋁合金、鎂合金等低熔點材料的連接上取得了巨大的成功[17]。對鈦合金而言,由于其較高的熔點,致使攪拌頭磨損嚴重,制約了該技術的應用[18]。對于TC4鈦合金攪拌摩擦的研究表明[19],攪拌區的組織為原始β相、轉變β相和片狀α相; 熱機影響區由于熱和塑性變形的雙重作用,原來的帶狀α相經過動態再結晶轉變為細小的等軸α相晶粒; 熱影響區由于熱的作用,β相增多,而α相減少。Liu F C等[20]對Ti-6Al-4V 鈦合金 FSW 接頭的拉伸試驗結果表明,接頭的抗拉強度可達到母材的 92%,斷裂位置在焊核區,呈典型的韌性斷裂。欒國紅等[21]對Ti-6Al-4V 鈦合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能研究表明,接頭強度系數可以達到0.9,但延伸率僅有1.8%;Sungook Y等[22]指出,當旋轉速度為 250 r /min,焊接速度在 50 ～ 100 mm /min 時,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用進展緩慢,還是以實驗室研究為主,但其高強度、小變形、低能耗、綠色無污染等優點在鈦合金耐壓殼體的成型中具有無可比擬的優勢。隨著研究者在鈦合金耐磨攪拌摩擦材料、無匙孔技術等方面研究的不斷深入,該技術在殼體縱縫、法蘭環縫和上的應用前景巨大。

5 結論與展望

鈦合金以其獨有的特點被譽為海洋金屬,隨著海洋強國戰略的深入,未來必將大量用于水下裝備的建造中。通過梳理鈦合金的真空電子束焊、激光-電弧復合焊、等離子弧焊和攪拌摩擦焊的特點,結合水下裝備的焊接結構特點,總結4種焊接方法在鈦合金耐壓殼體上的應用優劣,見表1。

表1 先進焊接方法在鈦合金耐壓殼體上的應用分析

從表1可以看出,單一的電子束焊、激光-電弧復合焊或者等離子弧焊都無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匙孔焊接工藝,這也是鈦合金的攪拌摩擦焊進入到工程應用前的挑戰。