譚安全 劉元丹

(1．中國船級社重慶分社，重慶 401121； 2．中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715)

基于實船對過渡接頭法焊接鋼-鋁異種金屬進行探究

譚安全1劉元丹2

(1．中國船級社重慶分社，重慶 401121； 2．中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715)

從鋼-鋁異種金屬焊接現(xiàn)狀和鋼-鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭性能特點出發(fā)，介紹了鋼-鋁過渡接頭結(jié)構(gòu)形式、焊接接頭連接形式和相關節(jié)點設計要求。結(jié)合多艘次鋁合金船舶建造檢驗，對過渡接頭結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和選取、實際焊接要求等予以分析。船舶建造完成后及營運過程中未發(fā)現(xiàn)過渡接頭復合界面出現(xiàn)分層缺陷，其設計和工藝對其它船舶有一定指導意義。

鋼-鋁過渡接頭 鋁合金 焊接工藝

0 序 言

鋁及鋁合金以其優(yōu)良的物理、化學特性已廣泛應用于交通運輸工具的各個領域。由于其密度小、無磁性、可焊接、易加工成形、無低溫脆性、耐海水腐蝕等特性，其作為船舶結(jié)構(gòu)可減輕船舶重量，增加載重量，提高航速和船舶平穩(wěn)性[1]。鋁合金在海運業(yè)上應用已有較長的歷史，并取得了優(yōu)異的效果，從大型水面艦船構(gòu)件、上千噸的全鋁海洋研究船、遠洋商船和客船的建造到旅客渡船、雙體客船、水翼艇、氣墊船、交通艇、登陸艇等各類高速客船和軍用快艇上都有使用鋁合金[2]。

在船舶建造中，鋁合金與鋼材異種金屬的焊接至關重要，常溫下，鋁和鋼極低的固溶度和兩種金屬在物理化學性能方面的巨大差異，導致焊接時容易出現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷[3]。很多科研工作者對鋼-鋁異種金屬的焊接進行了研究，包括釬焊、壓焊、熔焊、擴散焊、攪拌摩擦焊、復合過渡接頭的使用等焊接方法的應用[4-10]，并取得了一定的進展，但很少從船舶建造和船舶檢驗的角度去分析。

文中主要結(jié)合參與多艘次鋼-鋁船舶建造過程，對鋼-鋁過渡接頭結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點設計等進行分析，并以某建造船舶為例，對過渡接頭焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和選取、焊接要求等予以分析說明。船舶建造完成后及營運過程中未發(fā)現(xiàn)過渡接頭復合界面出現(xiàn)分層缺陷，其設計和工藝對其它同類型船舶有一定借鑒和指導意義。

1 材料特性

鋼與鋁的密度、比熱、熔點、熱導率、線膨脹系數(shù)、電阻率和彈性模量等熱物理性能相差很大，其熱物理性能見表1[3]。如果將鋼和鋁進行高溫熔焊，焊縫中會產(chǎn)生多種 Fe-Al金屬間化合物，難以形成良好的焊接接頭，且接頭應力大、塑韌性低，易產(chǎn)生裂紋。

表1 鋼-鋁熱物理性能

因此，船舶建造中不宜將鋼質(zhì)板材與鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)直接進行高溫熔焊，現(xiàn)在普遍采用鋼-鋁復合過渡接頭，鋼質(zhì)主船體及鋁質(zhì)構(gòu)件與復合過渡接頭分別進行焊接。同傳統(tǒng)的鋼圍欄和鉚接工藝相比，采用鋼-鋁復合過渡接頭，既簡化了施工工藝，節(jié)省工時，同時提高了接頭處的水密封性和耐腐蝕性能。

鋼-鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭由三部分組成，包括鋼層、中間層和鋁層，三層厚度不同，中間層相對鋼、鋁層較薄，通過爆炸合成復合過渡接頭，簡稱STJ(Structural Transition Joint)，如今普遍采用表2中所列兩種形式。復合板(STJ)應進行100%超聲波檢驗，結(jié)合率達到100%為合格。RT檢測后還應進行復層之間剪切和拉脫性能試驗(復層厚度方向拉伸)，根據(jù)美國軍標MIL-J-24445A的要求，過渡接頭STJ的力學性能見表3。

除了上述復合界面的強度性能，船舶建造中過渡接頭的結(jié)構(gòu)設計和焊接工藝將直接影響船舶營運中過渡接頭的力學性能。

表2 鋼-鋁接頭類型

表3 過渡接頭STJ力學性能

2 過渡接頭節(jié)點設計

鋼-鋁過渡接頭的節(jié)點設計包括STJ自身的對接和角接、STJ與鋁質(zhì)板材和型材的連接以及STJ與鋼的連接。根據(jù)STJ中鋁、鈦和鋼的熱物理特性及二元相圖，三種材料直接熔合會產(chǎn)生脆性相，如TiFe等，因此STJ對接、角接時采取鋁-鋁焊接、鋼-鋼焊接、鈦層不焊接。

2.1 STJ對接

STJ對接焊接時，對于可以自由翻身，即結(jié)構(gòu)可繞STJ縱軸翻轉(zhuǎn)，稱為自由式接頭，其對接形式如圖1所示。中間層鈦和距離鈦上下各3 mm內(nèi)不開坡口，需保留鈍邊，鋼和鋁合金層各開約60°V形坡口；對于不能自由翻身，即結(jié)構(gòu)不能繞STJ縱軸翻轉(zhuǎn)時，稱為拘束式接頭，其對接形式如圖2所示。鋼層、鈦層及距離鈦邊界向上3 mm內(nèi)不開坡口，保留鈍邊，剩余鋁合金層開設約60°V形坡口。兩種形式接頭均要避免鈦層熔化，開設坡口時必須控制好鈍邊區(qū)域。

圖1 STJ自由對接形式

圖2 STJ約束對接形式

2.2 STJ角接

過渡接頭角接形式有如圖3中A-A和B-B兩種方案，而A-A形式較為普遍，也是推薦選用的連接形式。鈦層及上下3 mm內(nèi)保留鈍邊，切勿將坡口直接從鋁合金層開至鋼層，避免鈦層熔化。STJ的T形連接亦采取A-A方案。

圖3 STJ角接形式

針對過渡接頭STJ的連接，若是連接部位有密封性要求，則采取上述連接方式進行焊接，并對未焊區(qū)域(保留鈍邊部位)采取鉆孔和填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠，既能傳遞載荷又能保證密封性。對于連接部位無密封性要求，則采取如圖4所示方案，在過渡接頭連接區(qū)域設置約4 mm開口，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠。

圖4 非水密部位STJ接頭填充結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠

2.3 STJ層疊與搭接

根據(jù)過渡接頭的結(jié)構(gòu)形式可分為層疊式和搭接式[11]，其連接形式如圖5～6所示。其中層疊式在船舶建造中應用較為普遍，一種方案為直接將過渡接頭與鋼質(zhì)甲板連接，但必須與鋼質(zhì)甲板下構(gòu)件良好對中，確保力傳遞的連續(xù)性；另一種方案為鋼質(zhì)圍壁與甲板連接，過渡接頭在鋼質(zhì)圍壁和鋁合金圍壁間起連接作用。鋁質(zhì)構(gòu)件和鋼質(zhì)甲板連接可選擇圖5和圖6中A,B,C,D 4種連接方式，而同一甲板中若存在鋼鋁連接則可選取B,D(去掉鋼質(zhì)甲板)兩種連接方式。

圖5 STJ層疊式連接形式

圖6 STJ搭接式連接形式

3 實船分析

以某旅游客船為例，船舶總長45 m，船寬12 m，型深3 m，設計吃水2 m，設計航速27.8 km/h，乘客定額250人，船舶主甲板以下采用CCSB鋼質(zhì)材料，主甲板以上采用鋁合金5083,6082T6材料，鋼質(zhì)和鋁質(zhì)材料通過過渡接頭鋁-鈦-鋼STJ焊接，具體方式如圖7所示。

圖7 實船采取過渡接頭STJ連接形式

3.1 過渡接頭STJ規(guī)格選取

過渡接頭STJ結(jié)構(gòu)形式選取層疊式，因為鈦的力學性能比鋁高，因此中間層采用鈦，整個接頭抗拉強度較高。根據(jù)現(xiàn)行法國、日本和中國對鋁-鈦-鋼STJ的選取參數(shù)建議，及實船鋁合金構(gòu)件和鋼質(zhì)甲板的厚度，選定鋁-鈦-鋼STJ的尺寸為：鋼質(zhì)層h1:12 mm;鈦層h2:2 mm;鋁合金層h3:10 mm;STJ高度H：24 mm。

過渡接頭STJ寬度按照日本標準推薦尺寸：B=4t或B=t+2L+5;t為構(gòu)件鋁板厚度;L為鋁層角焊縫焊腳尺寸。

同時考慮到實船建造中過渡接頭處于高應力區(qū)域，應加大散熱面和應力釋放，實船過渡接頭STJ寬度B取5倍板厚(5t)即25 mm。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

鋼-鋁過渡接頭STJ的力學性能包括過渡接頭爆炸成型后的力學性能和船舶建造施工后過渡接頭的力學性能，施工中過渡接頭的結(jié)構(gòu)設計和焊接工藝將直接影響船舶營運中過渡接頭的力學性能。因此，焊接前需對其焊接工藝參數(shù)進行評定和優(yōu)化。

在此船焊接工藝評定中，鋼結(jié)構(gòu)焊接采用熔化極氣體保護焊，鋁結(jié)構(gòu)焊接采用熔化極氬氟焊(MIG)，在過渡接頭STJ兩側(cè)分別焊上鋁板、鋼板，4條焊縫為連續(xù)焊，并在焊接過程中測量鋁-鈦界面溫度。試板和試樣如圖8所示。

圖8 試板及試樣示意圖

在過渡接頭鋁-鈦界面溫度不超過350 ℃前提下，采取多組不同焊接參數(shù)焊接試板，每組各選取多個試樣進行力學性能試驗，驗證其拉伸強度、剪切強度和彎曲性能(包括正彎180°、反彎180°和側(cè)彎90°)。根據(jù)試驗結(jié)果選取合適的焊接參數(shù)，所選焊接參數(shù)及焊后力學性能試驗結(jié)果見表4，由表4可知，焊接接頭拉伸強度和剪切強度遠高于標準值。在進行焊接參數(shù)優(yōu)化選取時，盡量選取拉伸試驗斷裂于母材而非焊縫試樣的焊接參數(shù)，有利于獲得與母材強度相當?shù)暮缚p，以便于保證接頭的可靠性。

表4 焊接參數(shù)及焊后力學性能試驗結(jié)果

3.3 裝配和焊接

實船根據(jù)焊接工藝評定選取的焊接參數(shù)進行焊接，并由相應焊接資質(zhì)的焊工施焊，整個焊接過程包括焊前清理、焊接過程控制和焊后處理。從整個船舶過渡接頭STJ的焊接質(zhì)量分析，主要應控制好以下幾個方面。

3.3.1 下料和裝配精度

過渡接頭STJ與鋼和鋁的裝配間隙將直接影響焊后復合界面的質(zhì)量，裝配間隙過大引起復合界面垂直方向拉應力變大，易導致復合界面出現(xiàn)分層缺陷。因此要嚴格控制構(gòu)件下料切割精度，采用激光切割及其它有效方法，仔細切割余量；建立如薄板變形控制等技術方案，使STJ上下裝配間隙盡量減小并趨于零。STJ自身連接裝配工藝按上圖1、圖2及圖3的A-A要求。

3.3.2 焊前清理

焊前清理主要是去除焊接區(qū)域附近(待焊接區(qū)域兩側(cè)不小于20 mm范圍內(nèi))的油污、氧化皮、鐵銹和水分等雜質(zhì)。建議鋁材部分用丙酮，鋼材區(qū)域用不銹鋼刷處理。清理完成要注意保護，并及時完成焊接。

3.3.3 焊接要求

先焊過渡接頭間的對接和角接，再分別焊接鋼、鋁角焊縫。焊接時首先是定位焊，根據(jù)實船檢測發(fā)現(xiàn)：定位焊時，焊件溫度往往較低，熱量不集中，易產(chǎn)生未焊透缺陷，建議定位焊焊接電流比正式焊接電流大10%。

對于過渡接頭與鋼質(zhì)甲板、鋁合金構(gòu)件的焊接，無論先焊接過渡接頭哪一側(cè)，均各有利弊。此船采用先焊鋼層，充分冷卻后，再焊接鋁層，這樣有利于釋放鋼質(zhì)部分焊接時產(chǎn)生的殘余應力，避免過渡接頭復合層產(chǎn)生分層缺陷。隨著焊接熱能量的增加，過渡接頭復合界面溫度達到300 ℃以上時，其力學性能隨之降低[12]，因此焊接時采取分段跳焊、從中間向兩邊對稱焊接，并控制連續(xù)焊接長度，避免過渡接頭復合界面處焊接溫度超過300 ℃。同時過渡接頭鈦層不焊接，應嚴格按照焊接工藝要求，保留鈍邊(鈦層及其上下3 mm內(nèi))完整性，避免影響過渡接頭的接合性能。

3.4 焊后處理

焊接完成后，采用機械方法修正過渡接頭兩側(cè)焊縫余高，外觀檢測焊縫和過渡接頭復合界面。待充分冷卻后，在過渡接頭接縫兩側(cè)(鈍邊區(qū))鉆孔，孔徑φ4～6 mm，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠。最后對過渡接頭進行著色檢查，確保無裂紋等缺陷。經(jīng)檢驗，符合要求。

此旅游客船投入營運后，并未發(fā)現(xiàn)過渡接頭復合界面出現(xiàn)分層等缺陷，船舶狀況良好。

4 結(jié) 論

(1)鋁-鈦-鋼過渡接頭用于連接鋼和鋁實際可行，既能有效傳遞載荷又能滿足密封性要求，避免了傳統(tǒng)鉚接工藝的繁瑣和缺陷。

(2)確保所選取過渡接頭爆炸焊接良好，力學性能指標符合船舶實際；同時針對船廠、焊工和船舶建造實際情況，對過渡接頭焊接參數(shù)進行優(yōu)化，選取拉伸試驗斷裂于母材而非焊縫試樣的焊接參數(shù)，制定合理的焊接工藝并嚴格實施。

(3)鋁-鈦-鋼過渡接頭自身對接或角接時，對于有密封性要求的，中間層鈦和距離鈦上下各3 mm內(nèi)不開坡口，需保留鈍邊，焊接時避免觸及鈦層，影響過渡接頭質(zhì)量，最后對未焊區(qū)域(保留鈍邊部位)采取鉆孔和填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠；對于沒有密封性要求的，則可直接在過渡接頭連接區(qū)域設置約4 mm開口，填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠，有利于過渡接頭應力釋放。

(4)嚴格控制構(gòu)件下料切割精度，采用激光切割及其它有效方法，仔細切割余量；建立如薄板變形控制等技術方案，使STJ上下裝配間隙盡量減小趨于零。過渡接頭與鋼質(zhì)和鋁質(zhì)板材焊接時，建議先焊鋼層，充分冷卻后，再焊接鋁層，這樣有利于釋放鋼質(zhì)部分焊接時產(chǎn)生的殘余應力；同時采取分段跳焊、從中間向兩邊對稱焊接，并控制連續(xù)焊接長度，避免過渡接頭復合界面處焊接溫度超過300 ℃，避免過渡接頭復合層產(chǎn)生分層缺陷。

[1] Bang K S，Kim W Y. Estimation and prediction of HAZ softening in thermo mechanically controlled rolled and accelerated-cooled steel[J]. Welding Journal，2002(7): 1447-1454.

[2] 何健偉，王祝堂. 船舶艦艇用鋁及鋁合金(2)[J]. 輕合金加工技術，2015(9): 1-12.

[3] 李亞江，吳 娜. 鋼/鋁異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀[J]. 焊接，2010(3): 5-11.

[4] 張洪濤，何鵬孔，孔慶偉，等. 鋁鋼異種材料焊接研究現(xiàn)狀與發(fā)展 [J]. 焊接，2016(12): 7-11.

[5] Song J L，Lin S B，Yang C L，et al．Analysis of inter metallic layer in dissimilar TIG welding-brazing butt joint of aluminum alloy to stainless steel[J]．Science and Technology of Welding & Joining，2010(3): 213-218．

[6] 趙運強，鄧 軍，王春桂，等. 6063鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織性能研究[J]. 焊接，2017(3): 15-20.

[7] 劉會杰，趙運強，侯軍才. 自持式攪拌摩擦焊研究[J]. 焊接，2010(11): 7-14.

[8] 王承權. 鋁合金上層建筑與鋼主船體的新型焊接過渡接頭[J]. 船舶工程，1999(4): 26-28.

[9] 周昌盛，尚爾達. 鋁合金-鋁-鋼復合過渡接頭修換工藝探討[J]. 中國修船，2014(5): 32-35.

[10] 黃 健，邱 文，等. 鋼鋁過渡接頭的應用研究[J]. 船舶與海洋工程，2016(4): 54-58.

[11] 王承權. 艦船鋼-鋁結(jié)構(gòu)過渡接頭的應用及節(jié)點設計[J]. 船舶工程，2004(6): 34-38.

[12] 陳 斌. 結(jié)構(gòu)過渡接頭在艦船結(jié)構(gòu)上應用的若干問題[J]. 造船技術，2013(5): 39-41.

2016-06-21

TG443

譚安全，1986年出生，碩士，工程師。主要從事船舶結(jié)構(gòu)設計制造、焊接、振動等方面研究。