海洋平台生活模块铝合金材料的搅拌摩擦焊接技术研究

王春蕊(中海油能源发展股份有限公司油田建设工程设计研发中心,天津 300452)

海洋平台工程建设投资巨大，平台甲板面积有限，与陆地采油设施相比，台风、海浪、海流等恶劣环境都对平台的安全都构成严重威胁。同时由于环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、构件材料老化、缺陷损伤扩大以及疲劳损伤累积等因素也都将导致平台结构构件和整体抗力逐渐衰减，影响平台结构的服役安全性和耐久性。所以海洋平台上部模块荷载对整体结构安全异常敏感。而对于生活模块，最大操作重量已超过1200吨，如何更好地降低用钢量，满足海上恶劣环境的要求，除了从结构形式和构造上不断研究改进创新外,发展轻质高强度铝合金材料替代钢材，也是一个十分有效的途径。而铝合金的搅拌摩擦焊接技术具有晶粒细小,无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小，效率高等优点，且其焊接接头相较于传统焊接技术机械性能和耐腐蚀性能更好，能更好的满足海上恶劣环境的要求。

1 海洋平台生活模块铝合金材料新型焊接技术

铝合金材料作为结构材料用于海上固定平台的生活模块目前国内项目还比较少，主要困难在于焊接技术上。铝合金材料的焊接工艺较复杂，主要困难在于：（1）铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，焊接热影响区和焊缝处不能达到和母材等强度，焊接接头在使用过程中，易发生断裂失效，这对海上平台的危害是巨大的；（2）铝合金表面易产生难熔的氧化膜，造成于焊缝和母材的化学成分组织的不均匀性，易发生腐蚀失效；（3）传统的铝合金焊接容易产生气孔等缺陷；（4）铝合金焊接易产生热裂纹；（5）线膨胀系数大，易产生焊接变形；（6）铝合金热导率大(约为钢的4倍)，需要更强烈的热源供应。因此，铝合金材料对焊接工艺的要求很高，而传统的焊接工艺由于具有气孔，需要焊丝，有烟尘等缺陷，不适应海洋平台铝合金的焊接要求，因此开发采用新型的焊接技术是促进铝合金在海洋平台上运用的有效方法。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TWI)于90年代初发明的一种用于低熔点合金板材焊接的固态连接方法。用该方法可以焊接通常熔焊方法难于焊接的铝合金、钛合金等材料。

2 搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于1991年提出的一种固态连接方法。与传统的熔化焊接方法相比较，搅拌摩擦焊具有晶粒细小，疲劳性能、无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小，成本低，效率高等优点。搅拌摩擦焊最初用于铝合金，随着研究的深入，搅拌摩擦焊不仅可以用于铝合金的焊接，还可以用于铜、钛等其它金属以及不同金属之间的焊接。

3 铝合金材料的搅拌摩擦焊适用海洋平台环境的应用研究

海洋平台生活模块搅拌摩擦焊接接头性能的优劣，直接影响铝合金制品的适用范围。而对于海上平台这一特殊环境，接头性能主要着重于机械性能和耐腐蚀性能。

搅拌摩擦焊具有较高的接头性能，通过以往研究表明对于热处理强化铝合金如硬铝合金、锻铝合金等，接头强度可达到母材的76%到80%；对于非热处理强化铝合金如防锈铝LF6，接头可与母材等强，而气焊和点焊其焊接接头强度则为基体强度的90-95%。特别地，与传统的熔化焊相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上具有明显的优越性。如对于6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW接头性能比惰性气体钨极保护焊TIG焊高16%；对于12.7mm厚的2014-T6铝合金，FSW接头性能比TIG焊高22%。

由于海上环境具有强腐蚀性等特点，因而用于海上平台的焊接接头必须具有优越的耐腐蚀性。通过实验表明，搅拌摩擦焊接接头相较于传统焊接如熔焊等具有更好的耐腐蚀性能。

4 搅拌摩擦焊不足

由于在焊接过程中，不同部位的焊缝金属经历了不同的热机过程过热或者塑性材料流动不足会导致许多缺陷，主要包括孔洞，飞边，未焊透，沟槽和吻接五种

搅拌摩擦焊接接头的缺陷对于接头性能的影响十分显著，改善接头缺陷目前主要有改进搅拌头，调整搅拌摩擦工艺参数和采用新型的搅拌摩擦工艺3种。

5 结语

轻质铝合金由于其相较于工程用钢，具有密度小，强度高，耐腐蚀，易回收等优势，因此是一种可以逐渐替代工程用钢应用于海上平台生活模块的工程材料。而采用搅拌摩擦焊接技术可以提高铝合金焊接接头的机械性能和耐腐蚀性能，能够满足铝合金在海洋环境应用的严苛要求。接下来的研究应着眼于探索接头焊缝的组织结构与接头的机械性能和耐腐蚀性能的关系，以及不同的焊接工艺参数对于焊缝组织结构的定量影响，从而可以科学的、有目的性的设定参数，以满足海上工程要求。

[1]张华.搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[J].焊接学报,2003,03:91-97.