先進(jìn)焊接技術(shù)在水下航行器領(lǐng)域中的應(yīng)用

黃梓杰

【摘?要】在未來(lái)海洋科學(xué)研究中，隨著水下裝備的發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向，水下無(wú)人航行器（UUV）成為各國(guó)海洋水下裝備新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。水下航行器作為基本運(yùn)載平臺(tái)，用于水下資源探測(cè)、情報(bào)收集等作用發(fā)揮重要作用。耐壓殼體作為UUV的關(guān)鍵部件之一，是水下裝備用來(lái)裝載電子元器件及傳感器設(shè)備以保證它們不會(huì)因海水壓力和腐蝕而損壞，因此耐壓殼體要有足夠的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠的密封性。

【關(guān)鍵詞】水下耐壓殼體;?先進(jìn)焊接技術(shù);可靠性;

本文從水下耐壓殼體制造材料的發(fā)展，結(jié)合先進(jìn)焊接技術(shù)在制造中的應(yīng)用，對(duì)先進(jìn)焊接技術(shù)應(yīng)用于水下航行器領(lǐng)域做出探討，詳述目前實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的先進(jìn)焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析及先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展前景。

1 水下航行器耐壓殼體材料的選用

耐壓殼體材料的選用與水下航行器的先進(jìn)性、可靠性、制造工藝性等密切相關(guān)。根據(jù)不同的使命任務(wù)的達(dá)成，可選用的材料從金屬材料至非金屬材料呈現(xiàn)多樣性，高強(qiáng)度鋼、鈦合金、高強(qiáng)度鋁合金、復(fù)合材料、陶瓷材料及柔性材料等。總體上根據(jù)水下航行器的特點(diǎn)，材料選用滿足高強(qiáng)度、低磁性、耐腐蝕、抗微生物寄生、具有較高的容積率，實(shí)現(xiàn)輕量化制造為目的。

因此，水下航行器殼體材料時(shí)，不僅要考慮材料的比強(qiáng)度、比剛度，同時(shí)還要考慮耐腐蝕性能、制造性能、焊接性能、與材料適應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和經(jīng)濟(jì)性等。如有色金屬范疇內(nèi)的高強(qiáng)鋁合金、鈦合金等材料在水下航行器結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其中盡管鈦合金加工焊接要求高、造價(jià)相對(duì)較高，但鈦合金以其材料特點(diǎn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，仍然是大水深水下航行器耐壓殼體的首選材料。高性能、多功能、復(fù)合化和高環(huán)境相容性是未來(lái)水下裝備材料的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著對(duì)水下航行器等使用要求的提高，先進(jìn)材料在水下裝備領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了加工制造的難題。先進(jìn)焊接技術(shù)應(yīng)用于殼體的制造，使得耐壓殼體制造有了飛躍發(fā)展，顯著提高了生產(chǎn)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量。

2 先進(jìn)焊接技術(shù)應(yīng)用

2.1 先進(jìn)焊接技術(shù)的特點(diǎn)

2.1.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊接（FSW）利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭（即焊具）與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑性化，當(dāng)攪拌頭（即焊具）沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被塑性化的材料在攪拌頭（即焊具）的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由攪拌頭（即焊具）的前部流向后部，并在攪拌頭（即焊具）的擠壓下形成致密的固相焊縫。相比于普通熔焊，攪拌摩擦焊具有接頭機(jī)性能良好、變形小、焊接缺陷小、耗材少，可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接，焊接過(guò)程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵和無(wú)輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 真空電子束焊

電子束焊接（EBW）是一種高能量密度的焊接方法，利用會(huì)聚的高能電子流轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使材料熔合。EBW具有功率密度大、穿透能力強(qiáng)、深寬比大、不開(kāi)坡口一次焊成;焊接速度快、應(yīng)力可控、熱影響區(qū)小、變形小;能耗低、熱效率高;真空中施焊，排除有害氣體對(duì)熔池的影響，焊縫金屬純化，減少缺陷萌生;參數(shù)再現(xiàn)性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 激光焊與激光熔覆

激光焊是一種以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生熱量進(jìn)行焊接的方法，非常適合于微型零件和可達(dá)性很差的部位的焊接。激光焊還有熱輸入低，焊接變形小，不受電磁場(chǎng)影響等特點(diǎn)。在水下耐壓殼體制造中以有色金屬材料為主的結(jié)構(gòu)中，單純的激光焊接，由于有色金屬對(duì)激光的反射較大，僅能實(shí)現(xiàn)薄板的焊接，很少采用，因此激光仍需要進(jìn)行技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新改善焊接能力，如發(fā)展激光復(fù)合各種電弧的焊接技術(shù)。

2.1.4 選區(qū)熔化技術(shù)

選區(qū)熔化成形技術(shù)是金屬材料增材制造技術(shù)中最具發(fā)展前景的技術(shù)。不論是激光選區(qū)熔化，還是電子束鋪粉選區(qū)熔化都具有制造精度高、表面質(zhì)量好以及能夠?qū)崿F(xiàn)懸空、復(fù)雜內(nèi)腔和型面等復(fù)雜構(gòu)件的整體制造等特點(diǎn)，是滿足復(fù)雜薄壁精密構(gòu)件高精度、高性能、高柔性與快速反應(yīng)的理想制造方法。尤其在水下航行器領(lǐng)域，對(duì)于耐壓殼體制造將是革命性的變化。

2.2 先進(jìn)焊接技術(shù)應(yīng)用及焊接強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 攪拌摩擦焊

目前水下耐壓殼體由板料卷焊而成，通過(guò)抱緊式工裝配合及匙孔引出等方式，實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊對(duì)5系、6系等鋁合金縱縫的高質(zhì)量焊接。以焊接厚度12 mm的5A06-O鋁合金為例對(duì)其接頭質(zhì)量、力學(xué)性能、焊后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析探討攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于水下耐壓殼體的優(yōu)勢(shì)。

1）接頭質(zhì)量。通過(guò)目視檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)及金相顯微檢測(cè)等手段對(duì)接頭質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，局部焊縫成型如圖1所示，接頭質(zhì)量同時(shí)滿足《GJB 294A—2005鋁及鋁合金熔焊》及《QJ 20043—2011鋁合金中厚板攪拌摩擦焊技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)及以上要求。

2）接頭力學(xué)性能。依據(jù)GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》的要求制備標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣，分別對(duì)攪拌摩擦焊接頭及傳統(tǒng)TIG焊接頭進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。FSW接頭力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TIG焊接頭力學(xué)性能，其中抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材96%。

3）焊后殘余應(yīng)力檢測(cè)。利用超聲波應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備分別對(duì)FSW接頭與TIG焊接頭焊前、焊后進(jìn)行對(duì)應(yīng)多點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)后取平均值，結(jié)果表明經(jīng)攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中外載壓應(yīng)力的存在影響焊內(nèi)應(yīng)力的分布，焊后已無(wú)殘余拉應(yīng)力，接頭質(zhì)量可靠性大幅提高，應(yīng)力腐蝕傾向大幅降低。

2.2.2 真空電子束焊

水下耐壓殼體中孔座與殼體相貫線接頭的焊接為一大難點(diǎn)，特殊的結(jié)構(gòu)增大焊接難度。尤其對(duì)于中、厚板鋁合金及鈦合金，電子束焊接優(yōu)勢(shì)更為明顯。以焊接厚度20 mm的6061-T6鋁合金為例對(duì)其接頭質(zhì)量、力學(xué)性能、焊后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析探討真空電子束焊應(yīng)用于水下耐壓殼體的優(yōu)勢(shì)。

1）接頭質(zhì)量。通過(guò)目視檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)及金相顯微檢測(cè)等手段對(duì)接頭質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，接頭質(zhì)量滿足《GJB 1718A—2005電子束焊接》標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)及以上要求。

2）接頭力學(xué)性能。依據(jù)GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》的要求制備標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣，分別對(duì)真空電子束焊及傳統(tǒng)TIG焊接頭焊后立即進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。由于可熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接過(guò)程中增強(qiáng)相過(guò)時(shí)效效應(yīng)，極易導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化，而電子束焊接由于焊速快，能量密度集中，深寬比大，有效克服了接頭軟化，因此EBW接頭力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TIG焊接頭力學(xué)性能，在未經(jīng)焊后固溶退火等后處理狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度即可達(dá)到母材的83%。

3 結(jié)語(yǔ)

在水下耐壓殼體的制造中先進(jìn)焊接技術(shù)以其各自焊接優(yōu)勢(shì)，在接頭質(zhì)量、力學(xué)性能、焊后殘余應(yīng)力等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)熔焊，工藝穩(wěn)定性及可靠性得以進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊傳志，武雷.大直徑UUV耐壓殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2015，23（2）：29-34

（作者單位：喀什技師學(xué)院）