先進焊接技術在水下航行器領域中的應用

黃梓杰

【摘?要】在未來海洋科學研究中，隨著水下裝備的發展的一個重要發展方向，水下無人航行器（UUV）成為各國海洋水下裝備新技術應用最為廣泛的領域。水下航行器作為基本運載平臺，用于水下資源探測、情報收集等作用發揮重要作用。耐壓殼體作為UUV的關鍵部件之一，是水下裝備用來裝載電子元器件及傳感器設備以保證它們不會因海水壓力和腐蝕而損壞，因此耐壓殼體要有足夠的強度、結構的穩定性和可靠的密封性。

【關鍵詞】水下耐壓殼體;?先進焊接技術;可靠性;

本文從水下耐壓殼體制造材料的發展，結合先進焊接技術在制造中的應用，對先進焊接技術應用于水下航行器領域做出探討，詳述目前實現應用的先進焊接技術優勢分析及先進技術的發展前景。

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性、可靠性、制造工藝性等密切相關。根據不同的使命任務的達成，可選用的材料從金屬材料至非金屬材料呈現多樣性，高強度鋼、鈦合金、高強度鋁合金、復合材料、陶瓷材料及柔性材料等?？傮w上根據水下航行器的特點，材料選用滿足高強度、低磁性、耐腐蝕、抗微生物寄生、具有較高的容積率，實現輕量化制造為目的。

因此，水下航行器殼體材料時，不僅要考慮材料的比強度、比剛度，同時還要考慮耐腐蝕性能、制造性能、焊接性能、與材料適應的結構形式和經濟性等。如有色金屬范疇內的高強鋁合金、鈦合金等材料在水下航行器結構上具有獨特的優勢，其中盡管鈦合金加工焊接要求高、造價相對較高，但鈦合金以其材料特點具有明顯的優勢，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、復合化和高環境相容性是未來水下裝備材料的發展趨勢。

隨著對水下航行器等使用要求的提高，先進材料在水下裝備領域的應用帶來了加工制造的難題。先進焊接技術應用于殼體的制造，使得耐壓殼體制造有了飛躍發展，顯著提高了生產效率、減輕結構重量。

2 先進焊接技術應用

2.1 先進焊接技術的特點

2.1.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊接（FSW）利用高速旋轉的攪拌頭（即焊具）與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部塑性化，當攪拌頭（即焊具）沿著焊接界面向前移動時，被塑性化的材料在攪拌頭（即焊具）的轉動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，焊接過程安全、無污染、無煙塵和無輻射等一系列優點。

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，利用會聚的高能電子流轟擊工件接縫處所產生的熱能，使材料熔合。EBW具有功率密度大、穿透能力強、深寬比大、不開坡口一次焊成;焊接速度快、應力可控、熱影響區小、變形小;能耗低、熱效率高;真空中施焊，排除有害氣體對熔池的影響，焊縫金屬純化，減少缺陷萌生;參數再現性好，易于實現自動化等一系列優點。

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生熱量進行焊接的方法，非常適合于微型零件和可達性很差的部位的焊接。激光焊還有熱輸入低，焊接變形小，不受電磁場影響等特點。在水下耐壓殼體制造中以有色金屬材料為主的結構中，單純的激光焊接，由于有色金屬對激光的反射較大，僅能實現薄板的焊接，很少采用，因此激光仍需要進行技術的發展創新改善焊接能力，如發展激光復合各種電弧的焊接技術。

2.1.4 選區熔化技術

選區熔化成形技術是金屬材料增材制造技術中最具發展前景的技術。不論是激光選區熔化，還是電子束鋪粉選區熔化都具有制造精度高、表面質量好以及能夠實現懸空、復雜內腔和型面等復雜構件的整體制造等特點，是滿足復雜薄壁精密構件高精度、高性能、高柔性與快速反應的理想制造方法。尤其在水下航行器領域，對于耐壓殼體制造將是革命性的變化。

2.2 先進焊接技術應用及焊接強度檢測結果分析

2.2.1 攪拌摩擦焊

目前水下耐壓殼體由板料卷焊而成，通過抱緊式工裝配合及匙孔引出等方式，實現攪拌摩擦焊對5系、6系等鋁合金縱縫的高質量焊接。以焊接厚度12 mm的5A06-O鋁合金為例對其接頭質量、力學性能、焊后應力檢測結果進行分析探討攪拌摩擦焊技術應用于水下耐壓殼體的優勢。

1）接頭質量。通過目視檢測、無損檢測及金相顯微檢測等手段對接頭質量進行檢測，局部焊縫成型如圖1所示，接頭質量同時滿足《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要求》標準Ⅱ級及以上要求。

2）接頭力學性能。依據GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗》的要求制備標準力學性能試樣，分別對攪拌摩擦焊接頭及傳統TIG焊接頭進行力學性能檢測。FSW接頭力學性能明顯優于傳統TIG焊接頭力學性能，其中抗拉強度達到母材96%。

3）焊后殘余應力檢測。利用超聲波應力檢測設備分別對FSW接頭與TIG焊接頭焊前、焊后進行對應多點檢測，檢測后取平均值，結果表明經攪拌摩擦焊焊接過程中外載壓應力的存在影響焊內應力的分布，焊后已無殘余拉應力，接頭質量可靠性大幅提高，應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，特殊的結構增大焊接難度。尤其對于中、厚板鋁合金及鈦合金，電子束焊接優勢更為明顯。以焊接厚度20 mm的6061-T6鋁合金為例對其接頭質量、力學性能、焊后應力檢測結果進行分析探討真空電子束焊應用于水下耐壓殼體的優勢。

1）接頭質量。通過目視檢測、無損檢測及金相顯微檢測等手段對接頭質量進行檢測，接頭質量滿足《GJB 1718A—2005電子束焊接》標準Ⅱ級及以上要求。

2）接頭力學性能。依據GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗》的要求制備標準力學性能試樣，分別對真空電子束焊及傳統TIG焊接頭焊后立即進行力學性能檢測。由于可熱處理強化鋁合金焊接過程中增強相過時效效應，極易導致接頭熱影響區軟化，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接頭力學性能明顯優于傳統TIG焊接頭力學性能，在未經焊后固溶退火等后處理狀態下抗拉強度即可達到母材的83%。

3 結語

在水下耐壓殼體的制造中先進焊接技術以其各自焊接優勢，在接頭質量、力學性能、焊后殘余應力等方面的表現均優于傳統熔焊，工藝穩定性及可靠性得以進一步提高。

參考文獻：

[1]熊傳志，武雷.大直徑UUV耐壓殼體的結構設計[J].水雷戰與艦船防護，2015，23（2）：29-34

（作者單位：喀什技師學院）