海洋平臺生活模塊鋁合金材料的攪拌摩擦焊接技術(shù)研究

王春蕊(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程設(shè)計研發(fā)中心,天津 300452)

海洋平臺工程建設(shè)投資巨大，平臺甲板面積有限，與陸地采油設(shè)施相比，臺風(fēng)、海浪、海流等惡劣環(huán)境都對平臺的安全都構(gòu)成嚴(yán)重威脅。同時由于環(huán)境腐蝕、海生物附著、地基土沖刷和基礎(chǔ)動力軟化、構(gòu)件材料老化、缺陷損傷擴大以及疲勞損傷累積等因素也都將導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力逐漸衰減，影響平臺結(jié)構(gòu)的服役安全性和耐久性。所以海洋平臺上部模塊荷載對整體結(jié)構(gòu)安全異常敏感。而對于生活模塊，最大操作重量已超過1200噸，如何更好地降低用鋼量，滿足海上惡劣環(huán)境的要求，除了從結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造上不斷研究改進創(chuàng)新外,發(fā)展輕質(zhì)高強度鋁合金材料替代鋼材，也是一個十分有效的途徑。而鋁合金的攪拌摩擦焊接技術(shù)具有晶粒細小,無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應(yīng)力和變形小，效率高等優(yōu)點，且其焊接接頭相較于傳統(tǒng)焊接技術(shù)機械性能和耐腐蝕性能更好，能更好的滿足海上惡劣環(huán)境的要求。

1 海洋平臺生活模塊鋁合金材料新型焊接技術(shù)

鋁合金材料作為結(jié)構(gòu)材料用于海上固定平臺的生活模塊目前國內(nèi)項目還比較少，主要困難在于焊接技術(shù)上。鋁合金材料的焊接工藝較復(fù)雜，主要困難在于：（1）鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重，強度系數(shù)低，焊接熱影響區(qū)和焊縫處不能達到和母材等強度，焊接接頭在使用過程中，易發(fā)生斷裂失效，這對海上平臺的危害是巨大的；（2）鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜，造成于焊縫和母材的化學(xué)成分組織的不均勻性，易發(fā)生腐蝕失效；（3）傳統(tǒng)的鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔等缺陷；（4）鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋；（5）線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形；（6）鋁合金熱導(dǎo)率大(約為鋼的4倍)，需要更強烈的熱源供應(yīng)。因此，鋁合金材料對焊接工藝的要求很高，而傳統(tǒng)的焊接工藝由于具有氣孔，需要焊絲，有煙塵等缺陷，不適應(yīng)海洋平臺鋁合金的焊接要求，因此開發(fā)采用新型的焊接技術(shù)是促進鋁合金在海洋平臺上運用的有效方法。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所(TWI)于90年代初發(fā)明的一種用于低熔點合金板材焊接的固態(tài)連接方法。用該方法可以焊接通常熔焊方法難于焊接的鋁合金、鈦合金等材料。

2 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所于1991年提出的一種固態(tài)連接方法。與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比較，攪拌摩擦焊具有晶粒細小，疲勞性能、無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應(yīng)力和變形小，成本低，效率高等優(yōu)點。攪拌摩擦焊最初用于鋁合金，隨著研究的深入，攪拌摩擦焊不僅可以用于鋁合金的焊接，還可以用于銅、鈦等其它金屬以及不同金屬之間的焊接。

3 鋁合金材料的攪拌摩擦焊適用海洋平臺環(huán)境的應(yīng)用研究

海洋平臺生活模塊攪拌摩擦焊接接頭性能的優(yōu)劣，直接影響鋁合金制品的適用范圍。而對于海上平臺這一特殊環(huán)境，接頭性能主要著重于機械性能和耐腐蝕性能。

攪拌摩擦焊具有較高的接頭性能，通過以往研究表明對于熱處理強化鋁合金如硬鋁合金、鍛鋁合金等，接頭強度可達到母材的76%到80%；對于非熱處理強化鋁合金如防銹鋁LF6，接頭可與母材等強，而氣焊和點焊其焊接接頭強度則為基體強度的90-95%。特別地，與傳統(tǒng)的熔化焊相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學(xué)性能上具有明顯的優(yōu)越性。如對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW接頭性能比惰性氣體鎢極保護焊TIG焊高16%；對于12.7mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW接頭性能比TIG焊高22%。

由于海上環(huán)境具有強腐蝕性等特點，因而用于海上平臺的焊接接頭必須具有優(yōu)越的耐腐蝕性。通過實驗表明，攪拌摩擦焊接接頭相較于傳統(tǒng)焊接如熔焊等具有更好的耐腐蝕性能。

4 攪拌摩擦焊不足

由于在焊接過程中，不同部位的焊縫金屬經(jīng)歷了不同的熱機過程過熱或者塑性材料流動不足會導(dǎo)致許多缺陷，主要包括孔洞，飛邊，未焊透，溝槽和吻接五種

攪拌摩擦焊接接頭的缺陷對于接頭性能的影響十分顯著，改善接頭缺陷目前主要有改進攪拌頭，調(diào)整攪拌摩擦工藝參數(shù)和采用新型的攪拌摩擦工藝3種。

5 結(jié)語

輕質(zhì)鋁合金由于其相較于工程用鋼，具有密度小，強度高，耐腐蝕，易回收等優(yōu)勢，因此是一種可以逐漸替代工程用鋼應(yīng)用于海上平臺生活模塊的工程材料。而采用攪拌摩擦焊接技術(shù)可以提高鋁合金焊接接頭的機械性能和耐腐蝕性能，能夠滿足鋁合金在海洋環(huán)境應(yīng)用的嚴(yán)苛要求。接下來的研究應(yīng)著眼于探索接頭焊縫的組織結(jié)構(gòu)與接頭的機械性能和耐腐蝕性能的關(guān)系，以及不同的焊接工藝參數(shù)對于焊縫組織結(jié)構(gòu)的定量影響，從而可以科學(xué)的、有目的性的設(shè)定參數(shù)，以滿足海上工程要求。

[1]張華.攪拌摩擦焊研究進展及前景展望[J].焊接學(xué)報,2003,03:91-97.