焊接工艺技术在高强度材料中的应用探索论文

 

　　关键词：焊接工艺,高强度材料,焊接质量

 

　　在全球航运业向低碳化、高效化转型的背景下，船舶建造领域正经历着材料体系的深度革新。以高强度钢（如EH36、EH690）、高性能铝合金及纤维增强复合材料为代表的先进材料，凭借其卓越的比强度、耐蚀性及轻量化优势，成为支撑船舶结构优化的核心基础。然而，材料性能的突破同步对焊接工艺提出了苛刻要求—高强度钢的淬硬倾向易诱发冷裂纹，铝合金的高导热性导致气孔缺陷，复合材料的界面反应则需精准控制热输入，这些技术瓶颈直接影响着船舶结构的可靠性与服役寿命［1］。

 

　　近年来，焊接技术发展迅速，正推动船舶制造从传统材料适应工艺向工艺赋能材料转变，搅拌摩擦焊在铝合金薄板中的应用，实现了无熔滴、零污染的固相连接；激光-电弧复合焊则突破了厚板高强钢的深熔焊限制，热影响区宽度较传统工艺缩减。文章通过深入研究不同焊接工艺在高强度材料焊接中的特点与应用，为船舶建造企业提供更科学、高效的焊接解决方案，助力中国的船舶工业在国际竞争中占据更有利地位。

 

 

　　1.1低合金高强度钢

 

　　在船舶轻量化与高性能化的发展中，低合金高强度钢（HSLA）凭借低碳微合金化设计理念，成为船体结构的核心材料。这类钢通过添加Mn、Nb、V等合金元素（总量＜5%），在保持碳含量≤0.20%的前提下，使屈服强度提升至350~700MPa，同时兼具良好的塑韧性与耐海水腐蚀性。以船用AH36、EH36为例，其比强度较普通碳钢高30%~50%，广泛应用于甲板、舱壁等承力结构，可减轻船体重量10%~15%，显著提升载重效率。然而，材料强化的同时也带来焊接适应性挑战。根据热处理状态，其焊接难点呈现梯度差异：第一，热轧及正火钢（如Q345、AH36）：碳当量较低(≤0.40%），焊接性相对优良，但热影响区仍可能因冷却速度过快形成马氏体-贝氏体混合组织，导致硬度超标（＞350HV），诱发冷裂纹。第二，控轧控冷钢（如Q420、FH36）：通过Nb-Ti微合金化细化晶粒，碳当量进一步降低（＜0.35%），冷裂倾向较小。但焊接线能量需严格控制—过大易导致晶粒粗化，过小则加剧淬硬。第三，低碳调质钢（如Q690、EH47）：经淬火+回火处理后强度达690MPa，焊接热影响区易出现软化带，尤其在厚板焊接中，需通过预热（150~250℃)减缓冷却速率，配合多层多道焊分散应力。

 

       1.2高强度铝合金

 

　　在船舶轻量化进程中，铝镁系（如5083）与铝锌镁系（如7075）合金凭借轻质高强特性，成为高速艇、巡逻舰的核心材料。以5083合金为例，其密度仅为钢材的1/3，屈服强度达240MPa以上，且通过Mg元素（2.5%~4.5%）形成的钝化膜，在海水环境中表现出优异耐蚀性，广泛应用于船体外壳、上层建筑等减重敏感区域。相较于钢，铝合金的比强度优势使其在同等结构刚度下减重40%，显著提升舰船航速与燃油效率。然而，这类材料的金属特性差异给焊接带来多重挑战：其一，高导热率（约为钢的3倍）导致热量快速扩散，需采用能量集中的TIG焊或激光焊，且需严格控制预热温度以避免未熔合；其二，液态铝极易氧化生成熔点2050℃的Al2O3薄膜，若未通过交流氩弧焊的阴极破碎效应清除，将导致焊缝夹渣与力学性能下降；其三，大线膨胀系数（23×10-6/℃)引发显著焊接变形，某型铝合金快艇甲板焊接时，需采用分段跳焊配合刚性固定，才能将变形量控制在3mm/m以内［2］。

 

　　1.3高强度不锈钢

 

　　在船舶特殊服役场景中，高强度不锈钢凭借双高特性（高强度+高耐蚀性），成为化学品船货舱、海水系统部件的首选材料。以马氏体不锈钢（如13Cr系列）与沉淀硬化型（如17-4PH）为例，前者通过淬火回火获得350~800MPa强度，后者经时效处理实现σb≥1000MPa，同时借助Cr含量(≥12%）形成钝化膜，在氯离子环境中表现出优于碳钢的耐点蚀能力。这种刚柔并济的特性，使其在严苛腐蚀环境下的结构可靠性提升40%~60%（理论估算）。然而，这类材料的冶金敏感性使其焊接面临双重挑战。晶间腐蚀的本质是敏化温度区（450~850℃)的碳铬交互作用，当焊接热循环导致Cr23C6沿晶界析出，晶界贫铬区的耐蚀性可下降。热裂纹的形成，则源于奥氏体不锈钢焊缝的低熔点共晶+凝固收缩叠加效应：液态金属凝固时，S、P杂质形成的共晶相（熔点＜1350℃)在晶界形成薄弱层，焊接应力作用下极易诱发沿晶开裂。

 

　　1.4高强度复合材料

 

　　在船舶轻量化与隐身化需求驱动下，纤维增强树脂基复合材料（如碳纤维-乙烯基酯体系）凭借轻质高强+可设计特性，成为高端船舶上层建筑、导流罩及桅杆的优选材料。这类材料以1.6g/cm3密度实现超越铝合金的比强度(σb≥400MPa），并通过纤维铺层设计调控刚度，在某型国产纯电客船应用中，较铝制结构减重20%以上，显著降低船体垂向载荷，提升续航能力。其耐海水腐蚀特性（盐雾试验＞5000h无锈蚀），更使其在化学品船甲板、军船隐身结构中展现独特优势。区别于金属焊接的熔融冶金连接，复合材料采用界面结合的胶接与共固化技术。胶接工艺的核心在于界面活化，需通过等离子处理或偶联剂改性，使碳纤维表面粗糙度Ra达3~5μm，增强胶粘剂（如环氧-聚氨酯体系）机械咬合。共固化工艺则面临热-压-时协同挑战：乙烯基酯树脂的固化窗口窄（120~140℃),温度偏差＞5℃即导致交联度不足［3］。

 

 

　　2.1激光-电弧复合焊工艺

 

　　在船舶高强度材料焊接中，激光-电弧复合焊展现出双源协同的独特优势：激光束以30~100kW/cm2能量密度形成小孔效应，电弧则以宽泛的热场覆盖填充熔池，二者形成小孔稳定电弧、电弧扩展熔宽的耦合机制。对于屈服强度500MPa以上的高强钢（如AH36、Q1100E），该工艺通过控制激光入射角（8。～15。）与离焦量（-8~+5mm），可将热输入降低至传统弧焊的1/3，使热影响区宽度收缩至1.2~2.5mm，有效抑制马氏体相变诱发的冷裂纹。针对铝合金焊接的高导热、易氧化特性，复合焊通过电弧前置（倾角70。～90。）预加热母材，将激光反射率从80%降至30%以下，配合AlMg焊丝填充，使7075合金焊缝气孔率减少60%。这种激光细化晶粒、电弧调控熔池的协同效应，突破了铝合金焊接强热输入致软与低热输入未熔的矛盾。值得注意的是，复合焊的工艺窗口具有材料特异性：高强钢焊接需控制光丝间距0~4mm，利用电弧热缓解激光淬硬；铝合金则需保持8~10mm间距，避免激光等离子体干扰电弧稳定性。通过建立激光功率-电弧参数-材料特性的三元匹配模型，该工艺已实现从6mm薄板到50mm厚板的全谱系覆盖，为船舶轻量化提供了可靠的连接解决方案。

 

　　2.2搅拌摩擦焊工艺

 

　　作为固相连接技术的典型代表，搅拌摩擦焊通过高速旋转的搅拌头与母材摩擦生热，使材料在热塑性状态下实现分子层面的冶金结合。区别于传统熔焊的熔化-凝固过程，该工艺在高强钢焊接中展现独特优势：搅拌头的机械搅拌作用破碎热影响区粗大晶粒，形成细小等轴晶组织，避免了熔焊马氏体相变诱发的冷裂纹。以EH36钢为例，其焊缝晶粒尺寸较熔焊细化40%~60%，接头强度保留率达90%以上，尤其适用于船体甲板、舱壁等承力结构的无缺陷连接。铝合金焊接的氧化-变形难题在此工艺中迎刃而解。搅拌头轴肩的阴极破碎效应自动清除Al2O3氧化膜，避免了熔焊气孔缺陷；固相连接的低热输入（仅为MIG焊的1/3）使7075合金焊接变形量控制在0.5mm/m以内，异种材料连接是该工艺的突出亮点。钢-铝焊接时，搅拌头的螺旋纹设计引导塑化金属形成机械互锁界面，避免了熔焊界面脆性金属间化合物的生成。值得注意的是，搅拌摩擦焊的温度-压力-转速三元匹配具有材料特异性：高强钢需高转速（1500~2000rpm）细化晶粒，铝合金则需低转速（600~1000rpm）减少软化；钢焊缝的洋葱环组织源于塑性流动分层，而铝合金的焊核区呈现均匀再结晶。这种工艺参数的差异化调控，要求船厂建立材料-结构-参数的三维工艺数据库，从根本上实现从经验施焊到精准控制的转变。

 

　　2.3脉冲MIG焊工艺

 

　　作为熔滴过渡精准控制的典型代表，脉冲MIG焊通过基值-峰值双电流波形设计，实现了电弧能量的分时调控：基值电流（50~150A）维持电弧稳定并预热母材，峰值电流（300~500A）以毫秒级脉冲驱动熔滴射流过渡。这种低背景热+高瞬时能的复合模式，使其在高强钢焊接中展现独特优势—通过调节脉冲频率（20~120Hz）与占空比（25%~50%），可将热输入降低至传统MIG焊的60%，抑制AH36钢热影响区马氏体相变，使冷裂纹倾向降低40%以上。

 

　　针对铝合金焊接的氧化与变形难题，脉冲MIG焊的反极性电弧（焊丝接正）产生阴极雾化效应，自动破除Al2O3膜，配合熔池搅拌作用，使7075合金焊缝气孔率减少70%。双脉冲技术的应用进一步优化成形：低频脉冲（5~15Hz）调制熔池振动，形成规则鱼鳞纹；高频脉冲（80~150Hz）细化熔滴，实现0.8mm薄板无飞溅焊接。该工艺的适应性体现在多场景适配：高强钢焊接侧重热输入精准化，需匹配低氢焊丝（如E501T-1）并控制基值电流占比，避免淬硬组织；铝合金焊接则强调电弧形态调控，通过Ar-He混合气（80%Ar+20%He）提高热效率，配合推丝式送丝（1.6mm焊丝稳定送丝速度达20m/min），实现从薄板到厚板的全谱系覆盖。

 

 

　　3.1焊接工艺参数的影响及控制

 

　　焊接参数的能量配比直接决定高强度材料的冶金行为。以低合金高强钢为例，焊接电流的热输入值在80~350A区间内呈现显著材料响应：电流过强（＞280A）会激活晶粒粗化机制，导致热影响区硬度跃升30%~40%，韧性下降；电流不足（＜120A）则引发未熔合缺陷，焊缝有效承载面积缩减。这种非线性关系在马氏体不锈钢焊接中更为敏感，如17-4PH钢的脉冲电流需精确匹配基值/峰值比（1:3.5~4.0），否则易触发晶间贫铬区的腐蚀开裂。电压与速度的耦合作用形成动态热场。电压过高（＞32V）会扩大电弧覆盖面积，导致铝合金焊缝出现蘑菇状熔宽，同时增加气孔倾向；速度过快(>60cm/min）则造成高强钢熔池凝固时间不足，氢扩散不充分诱发延迟裂纹。参数控制的核心在于建立材料-结构-工艺映射关系。船厂通常通过三级管控实现精准调控：一级工艺评定针对不同材料（如5083铝合金vs Q690高强钢）制定参数矩阵，明确电流±10%、电压±2V的波动容限；二级设备校准采用智能焊机的动态补偿功能，实时修正电网波动导致的参数漂移（如某船厂引入的弧焊机器人系统，可自动补偿5%以内的电流偏差）；三级过程监控通过熔池可视化技术（如激光跟踪+AI识别），在线判别未熔合、咬边等缺陷，触发参数自适应调整。

 

　　3.2焊接材料选择的影响及控制

 

　　高强度材料的冶金适配性是焊接材料选择的核心逻辑。以船用7075铝合金为例，若误用6061焊丝，焊缝中Mg元素缺失将导致晶界弱化，接头强度可能下降40%以上，这种成分错配本质是材料强化机制的断裂。不同材料体系的焊材选择遵循差异化原则，例如，低合金高强钢侧重等强匹配+低氢抗裂，需选用熔敷金属屈服强度≥母材85%的低氢焊条（如E5015），配合Si-Mn脱氧体系抑制气孔；铝合金则强调成分补偿+晶粒细化，5083母材需匹配5356焊丝，通过Mg含量（4.5%~5.5%）补偿烧损，Zr元素细化焊缝晶粒。值得注意的是，异种材料连接（如钢-铝）需采用过渡层设计，例如，搅拌摩擦焊使用Al-Si中间层，通过机械互锁避免脆性金属间化合物生成。控制体系可构建材料—工艺—场景三级响应机制：一级，分析基于母材化学成分（如碳当量CE≤0.45%）和服役环境（如-40℃低温），制定焊材初选矩阵；二级，验证通过焊接性试验（如斜Y坡口裂纹试验），确定焊丝-焊剂的最优组合（如EH36钢匹配SJ101焊剂+H10Mn2焊丝）；三级，管控建立焊材溯源系统，实施干燥度-领用期-剩余量动态监控。

 

　　3.3焊接操作规范的影响及控制

 

　　焊接操作的规范性直接影响高强度材料的连接质量。手工焊时，运条手法的细微差异会引发熔池行为变化：锯齿形运条虽能增强坡口熔合，但速度不均易导致焊缝宽窄差超2mm的一般公差要求；直线运条虽成形整齐，但角度偏差5°以上即可能造成单侧未熔合。多层多道焊时，焊接顺序不合理，会使焊件产生较大的焊接应力和变形，甚至导致焊缝出现裂纹。在焊接大型船舶结构件时，不合理的焊接顺序可能使结构件整体变形，影响后续的组装和使用。为此控制体系可构建培训—规程—监督三位一体模式，借鉴模式如：操作标准化，通过工艺评定制定《焊接操作手册（指导书）》，明确不同材料的运条方式（如铝合金需月牙形摆动，高强钢禁止横向摆动）、焊接顺序（如大型结构采用中心对称退焊法）；人员技能化，实施分级认证+定期复训，手工焊焊工需通过板厚适中的全位置焊考核，每两年重新认证；过程可控化，引入智能焊机的操作值功能，实时采集摆动频率、停留时间等多项参数，与标准曲线比对超限自动报警［4］。

 

 

　　随着船舶工业对高性能、轻量化需求的持续增长，高强度材料在船舶建造中的应用愈发广泛。然而，这些高强度材料各自的焊接难点，对船舶焊接工艺提出了严峻挑战。激光-电弧复合焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、脉冲MIG焊等多种先进焊接工艺，在应对高强度材料焊接难题上展现出显著优势。同时，焊接工艺对高强度材料焊接质量的影响贯穿于各个环节。通过焊接工艺评定确定合适参数，严格选择与母材匹配的焊接材料，加强操作人员培训并监督其规范操作，能够全方位保障焊接质量，确保焊接接头满足船舶结构的力学性能与安全要求。

 

 

　　［1］肖垒.船舶建造焊接工艺的探讨［J］.船舶物资与市场，2024，32（12）：37-39.

 

　　［2］任浩然，王东明.船舶焊接及维修技术研究［J］.清洗世界，2021，37（12）：54-55.

 

　　［3］吴灿.船舶焊接缺陷的控制研究［J］.清洗世界，2021，37（12）：128-129.

 

　　［4］韩颜.船舶的焊接缺陷分析及质量控制［J］.设备管理与维修，2018，（17）：75-76.