• 艦船用TA5/TC4鈦薄板鈦合金板等鈦合金焊接技術進展

    發布時間: 2023-06-14 11:36:40    瀏覽次數:

    前言

    艦船由于長期浸泡在海水或者暴露于海洋高鹽、高濕的大氣環境中,其結構及設備易受腐蝕且保護困難,其 建造材料需要良好的耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩定性。鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要結 構金屬,鈦及鈦合金因兼有高比強度、高熔化溫度、小熱膨脹系數、耐疲勞、非磁性、生物惰性、抗裂性等 優良特質被稱作“海洋金屬”,是一種理想的艦船用材[1-2]。另一方面,艦船結構規格一般厚大,大型材 的焊接成型是現代造船的關鍵技術之一[3]。因此,對于艦船常用鈦合金及其焊接工藝研究與開發具有重要 的理論和工程應用意義。

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    1、鈦及鈦合金在艦船的應用

    1.1艦船用鈦及鈦合金介紹

    鈦是繼鋁、鐵、鎂之后在地殼中含量最大的金屬元素,為銀白色高熔點輕金屬,主要物理性能:密度 4.51g/cm3,熔點1688℃,比熱容522J/(kg·K),熱導率16J/(m·s·K)。純鈦常溫下容易 與氧、氮、氫反應生成一系列穩定氧化物,而鈦合金是指以鈦為基體,加入鋁、鉻、錳、錫、鉬等元素組成 的合金。按照合金退火組織狀態可以將鈦合金大致分成α型(近α型)、β(近β型)型、α+β型三大類 ,國內牌號分別以TA、TB、TC表示。

    自20世紀60年代起,鈦及鈦合金逐漸被用于艦船工業,隨著技術的發展,鈦材在艦船上的應用越來越廣泛, 從各類大、中、小水面艦艇、到水下潛艇和深潛器,從耐壓主結構體到艦艇內部管系、熱交換器、海水淡化 裝置、發動機零部件等,鈦及鈦合金在艦船領域無處不在,是海洋工程的理想材料[4-6]。

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    美國、俄羅斯、日本、歐洲等國家和地區開展了一系列的艦船鈦合金研究和應用,其中俄羅斯走在世界前列 。俄羅斯擁有專門的船用鈦合金體系,也形成了系列強度級別的鈦合金成熟產品,包含490MPa、585MPa、 680MPa、785MPa等級別。俄羅斯不僅在水面艦船、航母、深潛器制造中大量采用鈦合金結構,甚至擁有多艘 全鈦化的大深度核潛艇,其臺風級核潛艇僅外殼用鈦量高達9000t,最大下潛深度500m,潛行速度和持續潛 航時間遠超常規高強鋼潛艇[7-8]。美國海軍主導開發了可進行大規格型材焊接的Ti-5111鈦合金,名義成分 為Ti-5A1-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo,其沖擊韌性高于傳統TC4鈦合金,廣泛用于艦船制造業,包括各種動力潛艇、 水面艇動力裝置、海水管路管道、冷卻器、推進器、海水工作系統、消防泵、緊固件等。美國還致力于在海 軍中開展低成本鈦材應用技術研究,設立了專項低成本焊接技術課題,加速海軍上鈦及鈦合金應用進程[9- 10]。日本主要將鈦合金應用在民用漁船、高速警備艇、導彈快艇和載人深潛器方面,包括深海潛水調查船 的外殼骨架、管道、均壓容器等[11]。日本還在收集純鈦及鈦合金船體結構材料的數據和制訂相應強度標準 方面做了大量工作,以期擴大鈦在船舶上的應用[12]。

    我國艦船用鈦合金研究起步很早,在鈦及鈦合金的研制開發、艦船制造、裝船試航等方面投入了相當精力并 取得大量成果。除了國外常用的TA2、TA5、TA7、TC4,國內高校、企業專門針對艦船應用特殊要求,研制出 具有不同強度的船用耐蝕鈦合金,材料品種涵蓋管材、型材、板材、鑄件、鍛件等,基本滿足水面艦艇、潛 艇和深潛器不同強度級別及不同部位的使用要求。國內部分典型艦船用鈦合金的牌號、合金強度級別以及應 用場合匯總如表1所示[13-14]。

    1.2艦船用鈦及鈦合金焊接性分析

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    為了滿足船舶結構的使用要求,艦船用鈦合金需要強度、塑性、韌性最佳配合以及良好的焊接加工性能,多 數采用β穩定系數Kβ較小的α型和近α型鈦合金以及α+β型鈦合金,不同鈦合金的性能特征如表2所示 [15-16]。α型鈦合金是Ti-Al系鈦合金,Al的添入提高了α型鈦合金的比強度、熱強性以及細化合金晶粒, 相比于其他鈦合金其加工性能和焊接性能更好,可焊性優異。α+β型鈦合金屬于兩相合金,既含大量密排 六方晶格的α穩定相,又含一定量的體心立方晶格的β相,保證可焊性的同時提高了工藝塑性和實現了可熱處理性。

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    鈦合金特有的物理化學性能決定了其焊接性與鋼、鋁等常規金屬不同,其主要焊接特性[17-18]有:(1)鈦 的高溫化學活性強。對雜質和水分比較敏感,極易被空氣、水分、油脂和氧化皮等污染形成夾雜,降低塑性 和韌性。鈦與H、O、N元素的親合力很強,從250℃開始吸氫,形成TiH2低強度相,增大焊縫脆性,繼續升溫 至400℃和600℃開始吸氧、吸氮,進一步降低合金塑性。

    (2)氣孔及冷裂紋傾向嚴重。高溫狀態氫易溶入焊接熔池,冷卻結晶時過飽和的氫來不及從熔池逸出會在 焊縫中形成氣孔缺陷。同時鈦及鈦合金膨脹系數較大,溫升引起較大的內應力,導致冷裂紋和延遲裂紋敏感 性較高。

    (3)焊接易過熱。鈦的熔點約為1668℃,熱容量大,與鋼相比,熔化焊接時需要更多的熱量輸入,熔池尺 寸更大且溫度更高,熱導率低,傳熱系數約為鋼的50%,焊縫及熱影響區金屬在高溫下的停留時間較長,易 引起焊接接頭的過熱傾向,使晶粒變得十分粗大,甚至引起局部相變,惡化接頭塑韌性和組織均一性。

    (4)鈦合金的焊接變形大。鈦的縱向彈性模量約為不銹鋼的50%,冷變形的回彈能力強,約為不銹鋼的2~3 倍,因此鈦合金校形難度大,在焊接過程中需采取有效措施預防焊接變形,對工裝夾具要求更加嚴格。

    2、艦船鈦合金焊接工藝

    2.1TIG焊

    艦船鈦合金最常用的焊接工藝是TIG焊,即鎢極氬弧焊。TIG焊接利用高純度氬氣隔絕空氣,保護鈦合金焊接 熔池免受雜質污染,然后利用鎢電極與鈦合金焊件間產生的電弧熱熔化母材和焊絲,形成良好的冶金結合, 得到質量優異的焊縫。根據不同的鈦合金焊接厚度及成型品質要求,可以選擇不同的TIG焊接工藝,各類TIG 焊接工藝及其技術特征 如表3所示。

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    手工TIG焊因其設備簡單、適用性強,應用場合十分廣泛,一般厚度小于10mm的薄板以及厚板的打底焊接均 可采用。另外,TIG多層焊可以勝任中厚鈦合金板材的焊接,此時每一道焊縫的保護都對最后的成形質量起 到至關重要的作用,焊接質量控制更為困難和嚴格。

    活性焊劑氬弧焊簡稱A-TIG焊,最早由烏克蘭巴頓焊接研究所在20世紀60年代研制,英國和美國在20世紀末 也相繼開展有關研究。A-TIG焊的主要特征是在施焊板材表面覆上一層活性劑,使得電弧收縮和改變熔池流 態,增加焊接熔深[19]。與常規TIG相比,在焊接參數不變的條件下,A-TIG可以形成窄而深的熔池,熔寬減 小,熔深提高,如圖1所示[20]。在焊接厚板時能夠減少焊接道次,提高焊接效率和成型質量。焊接薄板時 ,A-TIG可以提高焊接速度,減少薄板熱應力變形,改善薄板焊接質量。

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    窄間隙TIG焊接是由美國率先提出的為解決大厚度結構件焊接的一種新型技術,其坡口間隙窄而深,可以大 幅減小焊縫截面積,降低焊縫金屬填充量,用較小的線能量實現較高的生產效℃,同時保留常規TIG特性, 焊接過程電弧穩定、飛濺少,適用全位置焊接,焊接質量高,焊縫極限深度可達200mm。

    “蛟龍”號7000m深潛器的鈦合金耐壓艙體就是采用手工TIG窄間隙焊接成型,厚度達到114mm。20世紀末, 烏克蘭巴頓焊接研究所創造性地將磁場引入到窄間隙焊接過程中,開發出磁控窄間隙TIG焊接技術,其原理 如圖2所示[21],該技術是在TIG焊電弧前端、焊接方向上添加鐵心和線圈,在線圈中通以交變電流提供電弧 周期變化的洛倫茲力,從而解決常規窄間隙焊接中的側壁熔合不良問題,單面焊接厚度可達80~120mm。窄間 隙焊縫接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示,側壁熔合良好,接頭無明顯缺陷[22]。

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    哈爾濱工業大學從巴頓焊接研究所引進TIG自動焊接設備,通過消化吸收,自行設計了厚板鈦合金窄間隙自 動化焊接系統,形成了技術領先的國產厚板鈦合金焊接技術,完成了設備國產化,最大焊接厚度可達110mm ,坡口寬度不大于12mm。山東大學基于PLC建立了一套適用于厚板窄間隙磁控TIG焊接自動控制系統,集成了 焊接過程視頻監控功能,能夠對窄間隙磁控電弧TIG焊接過程實現有效和可靠控制,成功試焊了110mm厚板鈦 合金。中船重工725所在2005年啟動大厚度鈦合金窄間隙焊接技術研究,并在2012年獲得相關授權專利。廣 東省焊接技術研究所余陳、張宇鵬等人采用磁控窄間隙TIG焊接方法焊接30mm和100mm厚TC4鈦合金,分析了 磁場強度、電弧擺動、電極位置對焊 縫組織成形的影響[23]。

    2.2真空電子束焊

    電子束焊接是利用聚焦的高速運動的電子轟擊工件待焊處所產生的金屬熔合的一種高能束焊接方法。它一般 在高真空環境下進行,既避免了電子受到磁場影響而無法聚焦,又防止了大氣環境對焊接區的污染,加上其 設備精準度和自動化程度高,再現性良好,非常適合焊接具有高熔點、易氧化的鈦合金金屬。另外,電子束 焊接方法能量密度極高、加工速度極快且焊接過程精確可控,因此可獲得大深寬比的焊縫,且焊縫熱影響區 窄,可在不開坡口情況下對大厚板件實現穿透焊接,因此成為焊接鈦合金大厚板的優選方法。典型的真空電 子束焊接設備、焊縫以及焊接過程如圖4所示。

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    鈦合金電子束焊接在深海載人裝備領域應用廣泛,中國的深海勇士號、日本的深海6500號、法國的鸚鵡螺號 、美國的阿爾文號等國內外眾多典型載人潛水器耐壓球殼以及部分浮力球都是由真空電子束焊接完成。巴頓 焊接研究所利用60kV\60kW的中壓電子束設備完成了厚100~200mm的鈦合金艦艇艙類結構以及大型燃機發動機 、熱交換器管及管板結構的焊接制造[24]。中船重工725所采用大功率電子束焊接Ti80厚板焊縫熔深達56mm ,焊接TB19厚板焊縫熔深接近130mm,焊縫深寬比大,熱影響區(HAZ)寬度遠遠小于傳統TIG焊HAZ寬度,焊 縫表面成形良好,焊縫質量優異[25]。

    2.3激光焊

    激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的一種高效精密焊接方法,其特征是激光 束能量密度高,可獲得大熔深和較高的焊接速度,且焊縫和焊接熱影響區窄,焊接變形和殘余應力很小。另 外,激光易用反射鏡或棱鏡改變光路,可在工件任意位置上焊接。因此,激光焊接技術研究受到廣泛重視, 在鈦合金結構件焊接中扮演著越來越重要的角色,尤其是鈦合金熱傳導率較低,且對紅外線光的吸收率較高 ,激光焊在鈦及鈦合金薄板及精密零件的焊接上擁有良好的應用前景[26]。

    隨著大功率激光器的開發與應用,激光焊接的優勢也越來越明顯,其質量和效率均優于其他熔焊方法。激光 焊已成功應用于鈦合金焊接中,只要工藝參數匹配合理,激光焊TC4鈦合金焊縫內部質量可達到GB3233-87K 級焊縫要求[27]。

    鈦合金激光焊技術的不足之處在于,易產生咬邊、凹陷和氣孔缺陷,接裝配精度要求高等,為此出現了激光 -電弧復合焊技術。激光-TIG電弧復合焊接過程如圖5所示[28],該焊接工藝結合了激光與電弧這兩個獨立熱 源的優勢,同時在很大程度上避免了二者的弊端,產生了1+1>2的效果,兼具高能量密度、高能量利用率 、高電弧穩定性等特點。

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    3、存在的問題

    3.1焊材質量

    國產鈦合金焊材質量有待提升,高尖端船舶用鈦合金焊材種類不全。目前鈦合金越來越廣泛地在艦船上普及 應用,國內鈦合金生產企業也擁有各類普通規格板材、環材、棒材的制備能力,但在批次穩定性和焊接操作 工藝性能上與進口鈦合金材料相比仍存在一定差距,尤其是大規格寬厚板材、型材、復雜的鑄件。國內大規 格鈦合金材料同一批次不同位置的組織成分呈現差異化,不同批次的質量穩定性很難保證。另外,國內配套 鈦合金焊絲種類較少,潛艦、鉆井管等使用的大量鈦合金焊材仍需進口。

    國產配套焊材發展相對滯后,基本通過引進國外焊材后吸收消化,缺乏高尖端高質量鈦合金配套焊材自主研 發能力。

    3.2焊接工藝及裝備

    大厚度鈦合金深熔焊工藝和機理基礎科學研究不足,焊接自動化專機和焊接機器人開發不充分。對于大型承 力艦船用鈦合金結構件而言,其主要承載焊縫長度和厚度規格大,因此對焊接接頭性能和結構可靠性要求較 高,然而國內從1992年才開始致力于10mm以上厚板鈦合金在艦船中的應用及其焊接技術的研究,到現在仍處 于探索階段,缺乏對大厚度、大規格鈦合金深熔焊系統性的工藝規范研究,無法從理論角度闡明沿熔深和熔 寬方向大厚度鈦合金接頭力學性能的分散差異性,未充分認識焊接工藝、焊縫形狀特征、微觀組織性能與接 頭力學行為之間的相關性規律,缺乏有效的大厚度鈦合金焊接性能調控技術方法,鈦合金焊縫控氫和焊接殘 余應力消除等關鍵技術與國外差距明顯,需要加深對合金元素作用機理、服役可靠性、安全壽命評估等基礎 科學的研究[29-30]。另外國內艦船鈦合金焊接方式仍然以手工氣體保護焊為主,窄間隙焊接技術近年也在 大厚板鈦合金焊接中發揮作用,但是國內造船及相關研究單位整體焊接自動化水平與國外存在差距,無法滿 足高標準作戰技術性能的現代艦船制造要求,尚缺乏高可靠性、高效率的自動化焊接專機和智能化焊接機器 人。

    4、結論

    目前我國艦船用鈦合金體系已經初步建立,形成了各類型鈦合金牌號,在水面艦艇、潛艇和深潛器各系統中 都有應用案例,近年來國內艦船用鈦及鈦合金焊接技術研究也取得了一定成果,但在高端鈦合金焊接材料、 工藝技術以及自動化智能化集成焊接設備方面與國外還有明顯差距,需要我國鈦工業和焊接技術專家、學者 共同努力,立足基礎科學問題,積累工程經驗,研發新型艦船鈦合金牌號,降低鈦合金材料制備成本、優化 現有焊接工藝,重點突破大型鈦合金的高效自動化焊接新工藝、設備,擴大鈦及鈦合金在艦船用材中的比例 。

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