船用铝-钛-钢过渡接头性能及工艺试验

2022-11-10

在日前承接的一艘高速船舶建造中为了减轻船的重量、提高航速, 该项目主船体船体采用钢质结构, 上层建筑采用铝合金结构。因为电化腐蚀的原因铝和刚钢不能直接焊接在一起, 在以往的船舶建造中上层建筑与主船体的连接采用铆接的方法。铆接时须在上层建筑的下端铆接一定高度的钢质围槛, 然后钢质围槛与主船体进行焊接。这种方法不但工作量大, 而且在铆钉铆接处密封性不好, 船在服役一段时间后易产生漏水现象, 影响船体的使用性能。此次使用铝-钛-钢复合过渡接头, 主船体与铝-钛-钢复合过渡接头的钢质部分焊接, 上层建筑与铝-钛-钢复合过渡接头的铝质部分进行焊接, 这样不但节省了工时, 提高了效率, 而且密封性能得到了保证, 由于是焊接连接船体性也得到了良好的保证。

一、复合过渡接头的制作及性能

1.铝-钛-钢复合过渡接头, 是用三种或四种不同板材通过爆炸焊接而成的复合板, 再采用机械加工方法加工成图纸所要求宽度的复合过渡接头。此次所选用的复合过渡接头成分为复合过渡接头厚度为24mm (8mm+2mm+14mm) 。

2.过渡接头复层材料铝质部分:3A21, 厚度8mm属铝锰系合金, 上层建筑材料为5083, 属铝镁系合金。两种合金均为可焊铝合金, 焊接性均较好。

3.复合过渡接头的中间层为钛 (牌号TA2) , 厚度2mm该层起到联接铝合金和钢的作用, 同时由于钛与钢及铝的电位差较低, 而铝和钢的电位差较大, 钛可以起到防止两者发生电化腐蚀的作用。该层在复层及基层本身焊接时严禁熔及到, 复层与铝质上层建筑及基层与主甲板焊接时, 应保证复合过渡接头的界面温度不能太高, 否则将将破坏复合过渡接头的接合性能。

4.复合过渡接头的下层为钢 (牌号CCSB) , 厚度14mm该层和主船体焊在一起, 主船体材料为CCSB。

5.铝-钛-钢复合过渡接头的拉脱强度指沿板厚方向的抗拉强度, 以试样完全拉脱为准, 其值应不小于137Mpa, 本次试验主要测定拉脱强度度。

由于复合板爆炸复合需要高的冲击速度, 高冲击速度导致结合区大量的热析出, 使得结合界面可能产生脆性的金属间化合物, 这些化合物在焊接应力的作用下, 容易引起铝-钛-钢界面开裂;因此, 有必要对界面结合强度进行检验, 由于焊接过程有热输入, 要求接合面温度不超过350℃, 因此需要在试验基础上制定合理的焊接工艺。

二、试验方法及试验内容

1.焊接试件

铝-钛-钢复合过渡接头与铝和钢的连接方式以试件尺寸如下图。为了检测焊接时过渡接头铝-钛界面的温度, 在过渡接头的两端钻直径4mm的测温孔, 测温孔在焊道的正下方。

2.焊接方法和参数

铝-钛-钢复合过渡接头与钢的角接连接采用CO2气体保护焊 (FCAW) , 过渡接头与铝的角接连接采用熔化极惰性气体保护焊 (MIG) , 保护气体为氩气 (纯度大于99.9%) 。为了加快与钢焊接时的热扩散, 减小对铝-钢界面的影响, 采用先焊铝侧后焊钢侧的焊接顺序。焊接时, 从中间向两端逐步施焊, 两侧对称施焊, 使用短定位焊缝, 尽量避免窄焊道以降低层间温度。焊道应平整或仅稍微中凹, 避免金属的过度熔敷, 焊接时尽量采用小的参数, 控制层间温度在60℃以下, 并时时从测温孔监测铝-钛界面温度, 使不得高于350℃。

焊接工艺参数:见表1。

焊接材料:铝侧选用IA5183

钢侧采用:YJ501-1

焊接过程通过测温孔测得的界面温度监测界面温度, 采用间隔测量取最大值, 最后最高值为285℃。