先进焊接技术在水下航行器领域中的应用

黄梓杰

【摘 要】在未来海洋科学研究中，随着水下装备的发展的一个重要发展方向，水下无人航行器（UUV）成为各国海洋水下装备新技术应用最为广泛的领域。水下航行器作为基本运载平台，用于水下资源探测、情报收集等作用发挥重要作用。耐压壳体作为UUV的关键部件之一，是水下装备用来装载电子元器件及传感器设备以保证它们不会因海水压力和腐蚀而损坏，因此耐压壳体要有足够的强度、结构的稳定性和可靠的密封性。

【关键词】水下耐压壳体; 先进焊接技术;可靠性;

本文从水下耐压壳体制造材料的发展，结合先进焊接技术在制造中的应用，对先进焊接技术应用于水下航行器领域做出探讨，详述目前实现应用的先进焊接技术优势分析及先进技术的发展前景。

1 水下航行器耐压壳体材料的选用

耐压壳体材料的选用与水下航行器的先进性、可靠性、制造工艺性等密切相关。根据不同的使命任务的达成，可选用的材料从金属材料至非金属材料呈现多样性，高强度钢、钛合金、高强度铝合金、复合材料、陶瓷材料及柔性材料等。总体上根据水下航行器的特点，材料选用满足高强度、低磁性、耐腐蚀、抗微生物寄生、具有较高的容积率，实现轻量化制造为目的。

因此，水下航行器壳体材料时，不仅要考虑材料的比强度、比刚度，同时还要考虑耐腐蚀性能、制造性能、焊接性能、与材料适应的结构形式和经济性等。如有色金属范畴内的高强铝合金、钛合金等材料在水下航行器结构上具有独特的优势，其中尽管钛合金加工焊接要求高、造价相对较高，但钛合金以其材料特点具有明显的优势，仍然是大水深水下航行器耐压壳体的首选材料。高性能、多功能、复合化和高环境相容性是未来水下装备材料的发展趋势。

随着对水下航行器等使用要求的提高，先进材料在水下装备领域的应用带来了加工制造的难题。先进焊接技术应用于壳体的制造，使得耐压壳体制造有了飞跃发展，显著提高了生产效率、减轻结构重量。

2 先进焊接技术应用

2.1 先进焊接技术的特点

2.1.1 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊接（FSW）利用高速旋转的搅拌头（即焊具）与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当搅拌头（即焊具）沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在搅拌头（即焊具）的转动摩擦力作用下由搅拌头（即焊具）的前部流向后部，并在搅拌头（即焊具）的挤压下形成致密的固相焊缝。相比于普通熔焊，搅拌摩擦焊具有接頭机性能良好、变形小、焊接缺陷小、耗材少，可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接，焊接过程安全、无污染、无烟尘和无辐射等一系列优点。

2.1.2 真空电子束焊

电子束焊接（EBW）是一种高能量密度的焊接方法，利用会聚的高能电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使材料熔合。EBW具有功率密度大、穿透能力强、深宽比大、不开坡口一次焊成;焊接速度快、应力可控、热影响区小、变形小;能耗低、热效率高;真空中施焊，排除有害气体对熔池的影响，焊缝金属纯化，减少缺陷萌生;参数再现性好，易于实现自动化等一系列优点。

2.1.3 激光焊与激光熔覆

激光焊是一种以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生热量进行焊接的方法，非常适合于微型零件和可达性很差的部位的焊接。激光焊还有热输入低，焊接变形小，不受电磁场影响等特点。在水下耐压壳体制造中以有色金属材料为主的结构中，单纯的激光焊接，由于有色金属对激光的反射较大，仅能实现薄板的焊接，很少采用，因此激光仍需要进行技术的发展创新改善焊接能力，如发展激光复合各种电弧的焊接技术。

2.1.4 选区熔化技术

选区熔化成形技术是金属材料增材制造技术中最具发展前景的技术。不论是激光选区熔化，还是电子束铺粉选区熔化都具有制造精度高、表面质量好以及能够实现悬空、复杂内腔和型面等复杂构件的整体制造等特点，是满足复杂薄壁精密构件高精度、高性能、高柔性与快速反应的理想制造方法。尤其在水下航行器领域，对于耐压壳体制造将是革命性的变化。

2.2 先进焊接技术应用及焊接强度检测结果分析

2.2.1 搅拌摩擦焊

目前水下耐压壳体由板料卷焊而成，通过抱紧式工装配合及匙孔引出等方式，实现搅拌摩擦焊对5系、6系等铝合金纵缝的高质量焊接。以焊接厚度12 mm的5A06-O铝合金为例对其接头质量、力学性能、焊后应力检测结果进行分析探讨搅拌摩擦焊技术应用于水下耐压壳体的优势。

1）接头质量。通过目视检测、无损检测及金相显微检测等手段对接头质量进行检测，局部焊缝成型如图1所示，接头质量同时满足《GJB 294A—2005铝及铝合金熔焊》及《QJ 20043—2011铝合金中厚板搅拌摩擦焊技术要求》标准Ⅱ级及以上要求。

2）接头力学性能。依据GB/T 19869.2—2012《铝及铝合金的焊接工艺评定试验》的要求制备标准力学性能试样，分别对搅拌摩擦焊接头及传统TIG焊接头进行力学性能检测。FSW接头力学性能明显优于传统TIG焊接头力学性能，其中抗拉强度达到母材96%。

3）焊后残余应力检测。利用超声波应力检测设备分别对FSW接头与TIG焊接头焊前、焊后进行对应多点检测，检测后取平均值，结果表明经搅拌摩擦焊焊接过程中外载压应力的存在影响焊内应力的分布，焊后已无残余拉应力，接头质量可靠性大幅提高，应力腐蚀倾向大幅降低。

2.2.2 真空电子束焊

水下耐压壳体中孔座与壳体相贯线接头的焊接为一大难点，特殊的结构增大焊接难度。尤其对于中、厚板铝合金及钛合金，电子束焊接优势更为明显。以焊接厚度20 mm的6061-T6铝合金为例对其接头质量、力学性能、焊后应力检测结果进行分析探讨真空电子束焊应用于水下耐压壳体的优势。

1）接头质量。通过目视检测、无损检测及金相显微检测等手段对接头质量进行检测，接头质量满足《GJB 1718A—2005电子束焊接》标准Ⅱ级及以上要求。

2）接头力学性能。依据GB/T 19869.2—2012《铝及铝合金的焊接工艺评定试验》的要求制备标准力学性能试样，分别对真空电子束焊及传统TIG焊接头焊后立即进行力学性能检测。由于可热处理强化铝合金焊接过程中增强相过时效效应，极易导致接头热影响区软化，而电子束焊接由于焊速快，能量密度集中，深宽比大，有效克服了接头软化，因此EBW接头力学性能明显优于传统TIG焊接头力学性能，在未经焊后固溶退火等后处理状态下抗拉强度即可达到母材的83%。

3 结语

在水下耐压壳体的制造中先进焊接技术以其各自焊接优势，在接头质量、力学性能、焊后残余应力等方面的表现均优于传统熔焊，工艺稳定性及可靠性得以进一步提高。

参考文献：

[1]熊传志，武雷.大直径UUV耐压壳体的结构设计[J].水雷战与舰船防护，2015，23（2）：29-34

（作者单位：喀什技师学院）