海洋平臺生活模塊鋁合金材料的攪拌摩擦焊接技術研究

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

海洋平臺工程建設投資巨大，平臺甲板面積有限，與陸地采油設施相比，臺風、海浪、海流等惡劣環境都對平臺的安全都構成嚴重威脅。同時由于環境腐蝕、海生物附著、地基土沖刷和基礎動力軟化、構件材料老化、缺陷損傷擴大以及疲勞損傷累積等因素也都將導致平臺結構構件和整體抗力逐漸衰減，影響平臺結構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構安全異常敏感。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，滿足海上惡劣環境的要求，除了從結構形式和構造上不斷研究改進創新外,發展輕質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具有晶粒細小,無塵煙、無氣孔、無飛濺、節能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應力和變形小，效率高等優點，且其焊接接頭相較于傳統焊接技術機械性能和耐腐蝕性能更好，能更好的滿足海上惡劣環境的要求。

1 海洋平臺生活模塊鋁合金材料新型焊接技術

鋁合金材料作為結構材料用于海上固定平臺的生活模塊目前國內項目還比較少，主要困難在于焊接技術上。鋁合金材料的焊接工藝較復雜，主要困難在于：（1）鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數低，焊接熱影響區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）鋁合金表面易產生難熔的氧化膜，造成于焊縫和母材的化學成分組織的不均勻性，易發生腐蝕失效；（3）傳統的鋁合金焊接容易產生氣孔等缺陷；（4）鋁合金焊接易產生熱裂紋；（5）線膨脹系數大，易產生焊接變形；（6）鋁合金熱導率大(約為鋼的4倍)，需要更強烈的熱源供應。因此，鋁合金材料對焊接工藝的要求很高，而傳統的焊接工藝由于具有氣孔，需要焊絲，有煙塵等缺陷，不適應海洋平臺鋁合金的焊接要求，因此開發采用新型的焊接技術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年代初發明的一種用于低熔點合金板材焊接的固態連接方法。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年提出的一種固態連接方法。與傳統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、節能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應力和變形小，成本低，效率高等優點。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境的應用研究

海洋平臺生活模塊攪拌摩擦焊接接頭性能的優劣，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，與傳統的熔化焊相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上具有明顯的優越性。如對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，FSW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，FSW接頭性能比TIG焊高22%。

由于海上環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歷了不同的熱機過程過熱或者塑性材料流動不足會導致許多缺陷，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，調整攪拌摩擦工藝參數和采用新型的攪拌摩擦工藝3種。

5 結語

輕質鋁合金由于其相較于工程用鋼，具有密度小，強度高，耐腐蝕，易回收等優勢，因此是一種可以逐漸替代工程用鋼應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境應用的嚴苛要求。接下來的研究應著眼于探索接頭焊縫的組織結構與接頭的機械性能和耐腐蝕性能的關系，以及不同的焊接工藝參數對于焊縫組織結構的定量影響，從而可以科學的、有目的性的設定參數，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].焊接學報,2003,03:91-97.