鋼鋁過(guò)渡接頭的應(yīng)用研究

黃 健，邱 文，張 吉，曹云勇

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 設(shè)計(jì)一所，上海 200129）

工藝與材料

鋼鋁過(guò)渡接頭的應(yīng)用研究

黃 健，邱 文，張 吉，曹云勇

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 設(shè)計(jì)一所，上海 200129）

為降低船舶的質(zhì)量重心、提高航速，某型船上層建筑首次采用鋁合金材料。以往鋁合金材質(zhì)的上層建筑與鋼質(zhì)主船體采用鉚釘連接，現(xiàn)已逐漸被鋼鋁過(guò)渡接頭所替代，其優(yōu)點(diǎn)為采用焊接工藝、水密性好、耐腐蝕，還使得建造工藝大為簡(jiǎn)化，但在實(shí)際建造中出現(xiàn)了鋼鋁過(guò)渡接頭分層的質(zhì)量問(wèn)題，直接影響船舶質(zhì)量。對(duì)此，闡述如何從鋼鋁過(guò)渡接頭特性出發(fā)，對(duì)鋼鋁過(guò)渡接頭分層的原因進(jìn)行分析，對(duì)鋼鋁過(guò)渡接頭之間的焊接接頭連接形式以及鋼鋁過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)主船體、鋁合金上層建筑的連接形式進(jìn)行優(yōu)化；控制鋼鋁過(guò)渡接頭焊接時(shí)焊點(diǎn)的厚度，焊接時(shí)不超過(guò)鋼鋁復(fù)合界面，且焊接點(diǎn)與鋼鋁復(fù)合界面的距離＞3mm； 控制復(fù)合界面臨界溫度，焊接過(guò)程中界面溫度應(yīng)低于臨界溫度，并留有安全裕度。通過(guò)優(yōu)化鋼鋁過(guò)渡接頭連接結(jié)構(gòu)形式及焊接工藝規(guī)則，掌握了解決鋼鋁過(guò)渡接頭分層原因的關(guān)鍵技術(shù)。

鋼鋁過(guò)渡接頭；接頭分層；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；焊接工藝

1 特點(diǎn)及性能

鋼鋁過(guò)渡接頭是一種復(fù)合體材料，與單體材料最大的區(qū)別是存在2個(gè)復(fù)合界面［1-2］。它由鋼（基層）、純鋁（中間層）及鋁合金（復(fù)合層）等3種材質(zhì)通過(guò)爆炸合成。對(duì)爆炸復(fù)合的鋼鋁過(guò)渡接頭母板板面進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)，結(jié)合率達(dá)到100%為合格。可根據(jù)CB/Z211標(biāo)準(zhǔn)逐根進(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)。

鋼鋁過(guò)渡接頭的力學(xué)性能包括過(guò)渡接頭爆炸成型后的力學(xué)性能和施工后鋼鋁過(guò)渡接頭的力學(xué)性能，前者是復(fù)合界面的強(qiáng)度性能，后者與過(guò)渡接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝緊密相關(guān)。復(fù)合界面可能被拉伸或者剪切，按照美國(guó)軍標(biāo)MIL-J-24445A的要求，鋼鋁過(guò)渡接頭界面的拉伸強(qiáng)度＞75MPa，剪切強(qiáng)度＞55MPa；美國(guó)軍標(biāo)規(guī)定，當(dāng)鋁面受拉時(shí)，彎芯半徑取3倍板厚（即 3R t=）、彎曲角90°為合格。

鋼鋁過(guò)渡接頭的鋼鋁復(fù)合界面在焊接過(guò)程中所能承受的溫度極值有嚴(yán)格規(guī)定，超過(guò)規(guī)定的極值溫度，復(fù)合界面的性能開(kāi)始下降。這是因?yàn)楹附訜崮芰窟^(guò)高，沿鋼鋁復(fù)合界面易析出又硬又脆的金屬間化合物，鋼鋁復(fù)合界面的力學(xué)性能就會(huì)下降。該極值溫度稱(chēng)為臨界溫度crT。對(duì)于中間層是純鋁的鋼鋁過(guò)渡接頭，Tcr=300℃。

2 分層現(xiàn)象

在實(shí)船建造過(guò)程中出現(xiàn)了鋼鋁過(guò)渡接頭分層現(xiàn)象，原因非常復(fù)雜，如在分段階段完成施焊并已通過(guò)驗(yàn)收，直至上船臺(tái)、碼頭系泊、海上試航時(shí)才出現(xiàn)鋼鋁過(guò)渡接頭分層，這可能是由船舶整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成的，也可能是由施焊不當(dāng)超過(guò)臨界溫度或外力的撞擊造成的。在這個(gè)階段再進(jìn)行修復(fù)則需整體切割換板（見(jiàn)圖1和圖2），實(shí)施工藝復(fù)雜。若交船后再出現(xiàn)開(kāi)裂分層會(huì)產(chǎn)生接頭強(qiáng)度、密性遭破壞等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題；而接船方因沒(méi)有復(fù)合接頭材料可替換，且沒(méi)有鋁合金焊接設(shè)備相關(guān)技術(shù)，所以無(wú)法對(duì)分層接頭進(jìn)行修復(fù)，將直接影響船舶使用。

圖1 十字相接處鋼鋁過(guò)渡接頭分層

圖2 艙壁交角處產(chǎn)生分層

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 規(guī)格

目前在設(shè)計(jì)時(shí)，鋼鋁過(guò)渡接頭的寬度（B）一般取B≥4t，t為鋁合金上層建筑圍壁板的厚度。這是因?yàn)榧冧X（中間層）的強(qiáng)度約是上層建筑5000系鋁鎂合金強(qiáng)度的1/4。我國(guó)無(wú)推薦的寬度規(guī)格，一般由設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定。但在實(shí)際建造時(shí)，處于高應(yīng)力區(qū)域的鋼鋁過(guò)渡接頭會(huì)產(chǎn)生鋼鋁復(fù)合界面分層現(xiàn)象，所以考慮了應(yīng)力釋放和加大散熱面 2個(gè)因素，現(xiàn)采取擴(kuò)大鋼鋁過(guò)渡接頭的寬度（B）的方法取B≥5t，實(shí)船應(yīng)用后對(duì)于消除過(guò)渡接頭分層的效果明顯（見(jiàn)圖3）。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼鋁過(guò)渡接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括鋼鋁過(guò)渡接頭之間的對(duì)接連接以及鋼鋁過(guò)渡接頭與鋼質(zhì)主船體、鋁合金上層建筑之間的連接［3］。由于鋼鋁過(guò)渡接頭復(fù)合體及力學(xué)性能的方向性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需滿足鋼鋁過(guò)渡接頭的復(fù)合界面承受并傳遞剪切應(yīng)力，避免承受拉伸載荷。鋁合金上層建筑與鋼質(zhì)主船體連接中的鋼鋁過(guò)渡接頭設(shè)計(jì)滿足上述要求。因此，鋼鋁過(guò)渡接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要指鋼鋁過(guò)渡接頭之間的連接形式優(yōu)化。

3.3 連接形式

鋼鋁過(guò)渡接頭之間的對(duì)接連接是指鋼鋁過(guò)渡接頭端部之間的對(duì)接、角接和T字接，通過(guò)優(yōu)化分為水密與非水密2種連接形式。

圖3 擴(kuò)大鋼鋁復(fù)合接頭寬度

3.3.1 水密連接形式

水密情況下，由于純鋁（中間層）不能進(jìn)行焊接，且鋼鋁復(fù)合界面在焊接過(guò)程中不得熔化，因此以該界面為基準(zhǔn)上下各3mm，共留出6mm的區(qū)域不得焊接；其次，裝配間隙為零。坡口在滿足焊接方便的前提下，應(yīng)采用小角度焊接。水密部位復(fù)合接頭之間的對(duì)接、T字接和角接形式及其優(yōu)化示意圖見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 鋼鋁過(guò)渡接頭對(duì)接形式

圖5 鋼鋁過(guò)渡接頭T字接形式

圖6 鋼鋁過(guò)渡接頭角接形式

從圖4～圖6可知，純鋁（中間層）之間因?yàn)椴荒芎附樱允遣贿B續(xù)的，屬于未熔透接頭，故此區(qū)域不能傳遞載荷，也不保證密性。

目前，可采用 3種施工方案來(lái)保證接頭處的密性：① 鋼鋁過(guò)渡接頭間未熔透處先采取電鉆鉆孔，然后塞入圓棒加錘擊或塞入圓棒加填膠；② 鋼鋁過(guò)渡接頭間坡口裝焊完成后，用鐵錘對(duì)純鋁部分進(jìn)行錘擊，使其受到擠壓延展，增加密性；③ 在鋼鋁過(guò)渡接頭裝焊完成后，采用直徑為6mm的鉆頭電鉆開(kāi)孔，以鋼鋁界面為圓心，鉆出一個(gè)直徑為6mm的通孔，并用船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠填充，這樣既能傳遞載荷又能保證密性，目前實(shí)船采用此種方法。

3.3.2 非水密連接形式

非水密情況下的接頭分層問(wèn)題，如靠近空腹門(mén)開(kāi)口部分的鋼鋁過(guò)渡接頭分層（見(jiàn)圖7），除了焊接時(shí)過(guò)于接近或穿過(guò)鋼鋁復(fù)合界面之外，還存在焊點(diǎn)過(guò)多、過(guò)重的現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼鋁過(guò)渡接頭分層。采取焊接過(guò)程中控制焊接線能量、采用小電流、低電弧電壓及快速焊接工藝，在工藝文件中明確鋼鋁復(fù)合接頭焊接時(shí)焊點(diǎn)不能過(guò)厚，焊接時(shí)不能超過(guò)鋼鋁過(guò)渡界面，焊接點(diǎn)與鋼鋁界面的距離需＞3mm等必要措施進(jìn)行解決。

實(shí)船建造中出現(xiàn)的艙室整根鋼鋁過(guò)渡接頭中間部位的鋼鋁復(fù)合界面分層是由于在艙室內(nèi)側(cè)有一個(gè)T形焊接導(dǎo)致的，焊接時(shí)過(guò)于接近或穿過(guò)鋼鋁復(fù)合界面或鋼鋁過(guò)渡接頭側(cè)面過(guò)多焊接，所以非水密部位鋼鋁過(guò)渡接頭設(shè)置4～6mm填充區(qū)域，通過(guò)填充船舶結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠來(lái)保證密性（見(jiàn)圖8），同時(shí)也有利于鋼鋁過(guò)渡接頭的應(yīng)力釋放。

圖7 門(mén)開(kāi)口部分的過(guò)渡接頭分層

圖8 非水密部位過(guò)渡接頭填充區(qū)域直接填充結(jié)構(gòu)膠

4 焊接工藝優(yōu)化

4.1 精度控制

理論上，鋼鋁過(guò)渡接頭和與之進(jìn)行焊接的上下壁板之間的間隙應(yīng)當(dāng)為零，但實(shí)際上因下料加工偏差、結(jié)構(gòu)變形等原因而難以達(dá)到。裝配間隙過(guò)大是焊后復(fù)合界面產(chǎn)生分層的重要因素，因此施工中首先要控制零件切割精度和船體結(jié)構(gòu)變形，通過(guò)采用激光切割、薄板變形控制等技術(shù)使鋼鋁過(guò)渡接頭與上下壁板裝配間隙控制在＜1mm，降低復(fù)合界面垂直方向的焊接拉應(yīng)力。

4.2 焊接參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)［4-5］，隨著焊接線能量（溫度）增加，鋼鋁復(fù)合界面在達(dá)到300℃以前，對(duì)過(guò)渡接頭性能不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但隨著溫度繼續(xù)上升，性能開(kāi)始下降。這是因?yàn)楹附訜崮芰窟^(guò)高，沿鋼鋁界面易析出又硬又脆的金屬間化合物，在一定條件下，鋼鋁復(fù)合界面強(qiáng)度可能→0。因此需對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)鋼鋁過(guò)渡接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，按多組工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，通過(guò)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中鋼鋁復(fù)合界面的峰值溫度 Tmax，從中選出滿足 Tmax＜ Tcr且有一定裕度的焊接規(guī)范參數(shù)（如焊接電流、電弧及電壓及焊接速度等）作為在實(shí)船上施焊的優(yōu)化工藝參數(shù)。

4.3 焊前清理

焊前清理對(duì)保證焊接質(zhì)量非常關(guān)鍵，對(duì)于鋼鋁過(guò)渡接頭亦應(yīng)嚴(yán)格清潔。

鋁材部分如有油污，清潔時(shí)，一般先用丙酮擦去油污，在其他場(chǎng)合可用不銹鋼絲刷打磨去除漆、塵、水等，也可用刮刀刮除氧化膜；清潔之后，注意保護(hù)，防止污染，并盡早進(jìn)行焊接。若清潔后超過(guò)24h未焊接，則焊前應(yīng)重新清潔。

鋼材部分的清潔：鋼焊前坡口及兩側(cè)各30mm范圍內(nèi)，必須清除氧化皮、鐵銹、水分、油污、泥灰和鐵渣等雜質(zhì)，對(duì)影響焊接質(zhì)量的涂料也應(yīng)清除。

4.4 優(yōu)化焊接順序

鋼鋁過(guò)渡接頭與鋁合金上層建筑圍壁、鋼質(zhì)下圍檻之間的焊接順序有以下2種。

1） 先焊接鋁，后焊接鋼。先焊接鋁是因?yàn)殇X的傳熱和散熱性都好于鋼，如果先焊鋼，在焊接鋁時(shí)較難保證界面溫度低于臨界溫度。

2） 先焊接鋼、后焊接鋁。通過(guò)研究，采用先焊鋼并經(jīng)充分冷卻后再焊接鋁的方法是因?yàn)楹附愉撡|(zhì)部分后產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁質(zhì)部分，通過(guò)先焊鋼并充分釋放焊接殘余應(yīng)力，可以避免鋼鋁過(guò)渡接頭分層現(xiàn)象的發(fā)生。

正確的焊接順序?qū)⑹购附託堄鄳?yīng)力分布合理而應(yīng)力峰值降低，避免鋼鋁過(guò)渡接頭分層現(xiàn)象發(fā)生。

4.5 關(guān)鍵要點(diǎn)

根據(jù)鋼鋁過(guò)渡接頭分層原因分析，目前生產(chǎn)中造成分層的主要原因是在施焊過(guò)程中存在部分焊點(diǎn)過(guò)于接近或穿過(guò)鋼鋁復(fù)合界面及溫度過(guò)高的問(wèn)題。因此，鋼鋁過(guò)渡接頭焊接時(shí)焊點(diǎn)不能過(guò)厚，焊接時(shí)不能超過(guò)鋼鋁復(fù)合界面，焊接點(diǎn)與鋼鋁復(fù)合界面的距離＞3mm；考慮到現(xiàn)場(chǎng)焊接操作的不穩(wěn)定性，實(shí)際施工中焊接點(diǎn)與鋼鋁復(fù)合界面的距離為4～6mm。

研究發(fā)現(xiàn)，TIG（Tungsten Inert-Gas）焊在鋼鋁復(fù)合界面產(chǎn)生的溫度要高于MIG（Metal Inert-Gas）焊的溫度，手工電弧焊在鋼鋁復(fù)合界面產(chǎn)生的溫度要高于CO2氣體保護(hù)焊的溫度。在鋼鋁過(guò)渡接頭的4條角焊縫中，對(duì)Tmax影響最大的是鋼角焊縫，因此應(yīng)采用細(xì)直徑藥芯焊絲、CO2氣體保護(hù)焊、小電流、低電弧電壓及快速焊接工藝。焊接時(shí)，盡量采用小線能量的焊接工藝參數(shù)，不作橫向擺動(dòng)，以獲得直線細(xì)焊道為佳。單邊長(zhǎng)焊縫應(yīng)采用分段跳焊法、逐步退焊法或分中對(duì)稱(chēng)焊接法焊接，并控制連續(xù)焊縫長(zhǎng)度＜500mm。Tcr是臨界值，實(shí)際操作中Tmax應(yīng)比Tcr小，應(yīng)留有安全裕度。溫度控制是復(fù)合接頭焊接的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要求鋼鋁復(fù)合界面處焊接溫度控制在285°左右。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)鋼鋁過(guò)渡接頭控制分層技術(shù)研究和具體優(yōu)化措施的應(yīng)用，使鋁合金上層建筑與鋼質(zhì)主船體連接質(zhì)量有了明顯提高，密性得到保證，可操作性強(qiáng)，消除了鋼鋁過(guò)渡接頭出現(xiàn)分層問(wèn)題的質(zhì)量隱患。防止鋼鋁過(guò)渡接頭出現(xiàn)分層是一個(gè)涉及合理選擇鋼鋁過(guò)渡接頭規(guī)格參數(shù)、正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝及過(guò)程控制等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌考慮。

［1］ 李標(biāo)峰. 船用鋁合金焊接及其船體建造工藝［M］. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

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

［3］ 王承權(quán). 艦船鋼－鋁結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭的應(yīng)用及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］. 船舶工程，2004 （6）： 34-38.

［4］ 王緒明. 鋼－鋁結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭的性能特點(diǎn)及焊接工藝［J］. 船海工程，2008 （3）： 20-22.

［5］ 陳斌. 結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭在艦船結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的若干問(wèn)題［J］. 造船技術(shù)，2013 （5）： 39-41.

Study on the Application of Steel-Aluminum Transition Joint

HUANG Jian， QIU Wen， ZHANG Ji， CAO Yun-yong

（No.1 Design Institute，Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

Aluminum alloy is for the first time used as the superstructure material onboard ship to lower gravity center，reduce weight and increase speed. In the past， the aluminum alloy superstructure was connected to the steel hull by rivets. Now， this is replaced gradually by steel-aluminum transition joint with the advantages of welding technique， water-proof，corrosion-resistant and simplified construction process. However， quality deficiency was found in the form of steel-aluminum transition joint delaminating during construction， which directly influences ship's quality. This paper elaborates the causes of steel-aluminum transition joint delamination with its characteristics and optimizes the welding joint shape of the transition joint， the connection form among the joint， and the connection between the steel hull and the aluminum alloy superstructure， where the thickness of welding spot is controlled not to exceed the steel-aluminum composite interface， the distance between the welding spot and the interface is controlled ＞3mm， the critical temperature of the composite interface is controlled to make the interface temperature lower than the critical temperature during welding， and redundancy for safety is considered. Thus the key technologies for joint delaminating are mastered via the optimization of the steel-aluminum transition joint connection and the welding techniques.

steel-aluminum transition joint； joint delamination； structure optimization； welding technique

U671.8

A

2095-4069 （2016） 04-0054-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.011

2015-06-18

黃健，男，高級(jí)工程師，1970年生。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事船體設(shè)計(jì)工作。