1、第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.船舶铝合金焊接工艺方法对比分析祁麟喻军李超赵立苏(上海外高桥造船有限公司上海)摘 要:针对船舶铝合金材料在焊接过程中的技术难点综合分析船用铝合金常用的惰性气体保护焊、激光电弧复合焊和搅拌摩擦焊等工艺方法在铝合金焊接过程中的关键要素探讨焊接质量改善方法对船舶铝合金焊接工艺在技术特点、生产效率、应用范围等方面的差异进行归纳和比较明晰各类船用铝合金焊接工艺的应用前景关键词:船用铝合金惰性气体保护焊激光电弧复合焊搅拌摩擦焊爆炸焊中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:祁麟()男博士工程师研究方向:船舶焊接工艺 在节能减排、
2、绿色造船的背景下使用轻质合金替代传统碳钢材料成为了船舶轻量化的重要选择铝合金因其具有密度低、比强度高、易加工、耐腐蚀以及可焊性良好的特点成为首选材料然而与传统碳钢材料相比铝合金在传统熔化焊过程中普遍存在易氧化、气孔多、接头软化、易开裂、焊后变形大等问题对铝合金材料的应用范围形成了严重制约 为此考虑分析影响船用 系、系铝合金在常用焊接工艺方法下焊接质量的关键因素对比工艺的技术特点为造船企业实现由“钢”到“铝”的技术升级转型提供思路 船用铝合金焊接难点分析在造船材料方面综合考虑全系铝合金在强度、延展性、抗腐蚀性、裂纹倾向性和可焊性等方面的性能船壳结构主要采用 系铝合金(、等)制作船用挤压型材采用
3、系铝合金(、等)居多见图 尽管 系和 系铝合金的可焊性相对较好但在船舶领域大构件尺寸、复杂非标的焊接位置、以及相对粗放型的制造过程中船用铝合金焊接依然面临着严峻的挑战 与传统钢材料相比船用铝合金主要焊接难点如下)氧化能力强:铝和氧亲合力强在空气中图 部分铝合金船体选材说明容易形成一层厚度约.致密的薄膜该氧化膜的熔点()远高于铝合金的熔点(铝合金约 )在焊接过程中难以熔化并最终导致焊缝夹渣、氢气孔等焊接缺陷 因此焊前准备和清理工作非常重要)易产生氢气孔:铝合金在固液两相的溶氢能力相差 倍在焊接过程中焊丝和工件氧化膜中残留的水分会以氢原子的形式溶解在熔融金属中在快速凝固过程中从熔池中析出的氢气无法
4、及时完全逸出最终在焊缝内部产生氢气孔缺陷)变形和裂纹倾向性大:铝合金热膨胀系数为钢的 倍左右热导率接近钢的 倍凝固时体积收缩率约为 经历焊接热循环后易产生严重变形此外铝合金作为典型的共晶合金在快速凝固过程中溶质元素来不及扩展接头性能不均匀在应力作用下极易产生裂纹)焊缝软化严重:传统钢材料焊接中焊缝金属强度通常不低于母材而铝合金中、等低沸点合金元素在电弧高温作用下极易蒸发或烧 年第 期祁麟等:船舶铝合金焊接工艺方法对比分析船海工程第 卷损焊缝力学性能较母材发生明显下降冷轧后的 系铝合金经过焊接热循环后焊缝强度较母材下降约 而热处理后的 系铝合金焊后焊缝强度较母材下降约 上述原因是制约铝合金在船舶
5、领域发展的主要因素 此外铝合金由于高温强度低、流动性好、固液转化无颜色变化等特点给半自动惰性气体保护焊工艺在焊接过程中带来更大的挑战对操作技术人员要求更高 因此为了在实际生产过程中可以更好地掌握铝合金的焊接工艺结合上述挑战对船舶领域常用的焊接方式进行综合分析对比 铝合金惰性气体保护焊.钨极惰性气体保护焊钨极惰性气体保护焊(焊)是以钨合金作为电极氩气作为保护气的高质量连接工艺 在焊接铝合金材料时具有焊接稳定、焊缝成形美观以及机械性能良好等特点 铝合金 焊通常采用交变电流在电流的负半周波接负极的工件表面会受到正离子的激烈撞击高熔点的氧化膜在阴极雾化作用下破碎在电流的正半周波接负极的钨极处仅占电弧总
6、热量的/钨极得以冷却避免了过热熔化后的焊缝夹钨问题铝合金 焊的主要焊接参数包括电流强度、保护气流量、电弧电压、送丝速度和焊接速度等 参数的选择应该从避免缺陷、减小变形、兼顾效率的角度入手在焊接过程中宜采用低线能量的方法提高焊接速度 同时应采用左焊法有利于获得成形更好、缺陷更少、更光泽的焊缝 焊的缺陷在于其熔深较浅、热输入相对较高、焊接速度相对较慢通常只适用于 以下的薄板 而船舶领域中板材厚度通常较厚采用多层多道的 焊接会使焊缝金属和热影响区产生过时效降低接头强度根据 等学者的研究成果采用 焊对厚度为 的 铝合金进行多层多道焊接在优化后的最佳参数下焊缝强度损失依然高达.因此船舶领域中铝合金 焊通
7、常仅用于打底焊接或管件焊接.熔化极惰性气体保护焊熔化极惰性气体保护焊(焊)是以惰性气体为保护气的一种熔解放电电极的消耗式焊接工艺 与 焊相比 焊可接受的焊接电流更高、焊接速度更快非常适用于船舶领域的大规模生产作业 铝合金 焊机与钢焊接采用的 焊机基本相同但由于铝合金焊丝强度更低送丝设备应将 形驱动轧辊换成更平稳、光滑的四轮驱动设备 同时应选择推拉式焊枪、或拉丝式焊枪替代传统鹅颈推丝式焊枪铝合金 焊通常选择直流反接法利用阴极雾化效应去除铝合金工件表面氧化膜 普通 焊采用小电流短路过渡或大电流射流过渡其飞溅量大在焊接铝合金时成形较差 而脉冲 焊接通过输出一定频率和幅值的电流可以实现一脉冲一熔滴的脉
8、冲射流过渡形式其中中频脉冲法频率高、能有效清理氧化膜适合高效自动焊接 而低频脉冲法(双脉冲法)见图 可以在焊工不摆动焊枪的情况下获得近似于 焊接的高质量焊缝外观 与普通 焊相比可以更加精确地控制能量密度消除气孔、裂纹等焊接缺陷改善接头强度、冲击韧性等力学性能图 不同焊接工艺焊缝外观对比在工件焊接前应采用丙酮清洗表面油污然后用不锈钢抛光轮打磨铝合金工件表面随后用钢丝刷再次清理坡口处氧化膜以避免氧化膜导致的各类焊接缺陷 此外为了容纳所需填充金属量以达到 焊工艺所需的电流大小降低气孔等焊接缺陷铝合金 焊的工件坡口角度通常大于钢材料所开坡口 此外铝合金热导率高焊接工装应采用点接触式工装以避免熔池过快凝
9、固 在铝合金薄板焊接中从经济角度出发可采用 的纯氩气作为保护气体而氦气具有更高的导热性随着工件板厚的增加需要加入比例为 的氦气以提高焊接速度、增大熔 年第 期祁麟等:船舶铝合金焊接工艺方法对比分析船海工程第 卷深、减少气孔率 在焊接参数选择方面需要遵循能量密度大、焊接速度快、线能量密度低的原则以消除氢气孔等焊接缺陷、并避免过大的焊接变形 铝合金激光电弧复合焊激光 复合焊结合了激光焊与电弧焊两种工艺 与惰性气体保护焊工艺相比激光焊复合作用可以拓展熔深、熔宽从而减少焊道次数控制焊接变形 与传统激光深熔焊相比激光 复合焊可以提升匙孔稳定性、增加熔池存在时间、补充合金元素、增加焊后热处理功效从而实现提
10、升成形质量、减少氢气孔、咬边等焊接缺陷、降低焊缝软化程度、改善接头力学性能、降低对工件装配精度要求等一系列技术优势 激光 复合焊具有两种引导模式采用激光引导时焊缝成形质量更佳采用电弧引导时接头力学性能更好激光 复合焊主要工艺参数包括:激光功率、电弧电流电压、焊接速度、激光与电弧中心距离、激光电弧主导方式、保护气体成分及流速等各种工艺参数的变化会存在正、反两方面的作用 尽管激光 复合焊相比传统激光焊有了长足的进步但在焊接过程中焊缝中的气孔缺陷依然难以彻底消除 等学者采用激光 复合焊工艺对 系铝合金材料进行变参数研究得到焊缝形貌见图 图 激光 复合焊焊缝形貌结果表明在焊缝内部分布着大量的气孔缺陷采
11、用高能量密度的方式虽可以一定程度地减少气孔率但在最优参数下焊缝气孔率依然接近而随着热输入的不断提升焊瘤等其他缺陷也随之产生 因此在调节工艺参数时要综合考虑多种参数的复合影响要在尽可能消除氢气孔的同时避免焊瘤、变形过大等问题提升焊接速度以保证企业的生产效率 铝合金搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊()是可以在非熔化状态下实现材料可靠连接的固相焊技术 与传统熔化焊相比 工艺在焊接铝合金时具有线能量低焊后变形极小非熔化避免铸造组织缺陷机械搅拌无需清理氧化膜接头强度高无明显软化无需添加保护气以及安全无污染等诸多优势 与钢材料相比铝合金的塑性变形温度仅为 左右在此温度下搅拌头可以保持良好的机械性能 对于目前船舶领域常
12、用的 系和 系铝合金可以实现 板材厚度的可靠连接可焊接的接头类型包括对接、搭接、型和角接接头 工艺的参数包括搅拌头种类、转速、压力、插入深度、焊接倾角和焊接速度 其中搅拌头旋转速度作为关键参数通常由被焊材料决定对于船舶领域常用的 和 铝合金常采用大于 /的强规范 搅拌头的插入深度和焊接速度通常取决于待焊材料的厚度尽管搅拌摩擦焊具有熔化焊难以实现的诸多技术优势但其仍存在自身的局限性例如对工件刚性约束的要求极高夹具的通用性较差工件背面需要垫板设备昂贵等 铝钢爆炸焊基于轻量化、结构强度、技术成本、耐腐蚀性等方面的综合考量在中大型船舶设计建造过程中船舶主体仍采用钢制结构而铝合金越来越多地被应用在船舶上
13、层建筑用于减轻重量、降低重心 由于铝钢熔点等物理属性差异巨大传统熔焊工艺会在铝钢接合面处生成 和 等脆性的金属间化合物无法实现可靠连接 而采用传统铆接工艺连接时接头密封性、耐腐蚀问题以及工序复杂程度都制约了铆接工艺在船舶领域的应用现阶段船舶领域对于铝合金上层建筑和钢船体的连接主要通过铝钢复合过渡接头实现见 年第 期祁麟等:船舶铝合金焊接工艺方法对比分析船海工程第 卷图 图 铝钢复合过渡接头示意铝钢复合过渡接头由船用铝合金、工业纯铝和船用钢 种材料经过爆炸焊复合而成 在爆炸焊过程中覆板在炸药产生的百万级兆帕压力作用下撞向基板在接合面处产生塑性流动和高速射流同时将铝合金氧化膜喷射出来实现工件连接
14、船用铝合金焊接工艺对比与汽车、机车、航空航天领域有所不同船舶领域焊接工件具有非标定制化板厚范围大焊接位置复杂等特点在工艺选择方面需要综合考虑适用范围、技术特点、生产效率、设备成本等多方面因素船用铝合金焊接工艺的主要技术特点见表 尽管 焊的焊接速度最低但其成型质量、焊缝性能最优对于厚度较薄、性能要求极高的管系连接应优先选用 焊工艺 铝合金 焊可以采用更大的焊接电流其焊接速度较 焊提高了约 倍并且适用于厚度在 以下板材的多层多道焊接 对铝合金中厚板(以下)进行焊接时普通 焊方法的热输入难以控制容易造成变形、焊接缺陷等问题采用脉冲 焊方法焊接速度虽略有下降但其一脉一滴的射滴过渡方式能大幅降低焊接飞溅
15、、抑制焊接缺陷、提高成形质量减少焊接变形 因此现阶段 焊工艺在造船领域占据着 以上的铝合金焊接任务表 船用铝合金焊接工艺主要技术特点对比焊接方法适用位置适用板厚/焊接速度/()主要优缺点 焊管子、管板 成形美观、焊缝强度高仅适用于薄板、效率低普通 焊全位置 电弧功率大、焊接速度快变形较大、缺陷相对较多脉冲 焊全位置 焊接变形较小、焊接缺陷少焊接效率略低、设备成本较高激光 复合焊 对接、形、角接 焊接变形小、焊接效率最高精度要求极高、气孔等缺陷多搅拌摩擦焊对接、搭接、形、角接 变形极小、力学性能好、环保通用性差、设备昂贵爆炸焊搭接/铝钢高可靠性连接焊接热循环后易开裂 高效自动化焊接是各大造船企业
16、不断追求的目标铝合金激光 复合焊的焊接速度可高达 /对于厚度小于 的板对接、形和角接焊缝其焊接效率较 焊接提升约 倍且焊接变形更小 但是目前激光 复合焊对于装夹精度要求依然过高气孔、咬边等缺陷依然难以根除设备成本相对较高这些因素制约了该工艺的规模应用搅拌摩擦焊在机理上与传统熔化焊具有本质不同现阶段对于板厚小于 的对接、搭接、形和角接焊缝已经可以实现高效高质量焊接其变形极小、无铸造缺陷和安全环保等显著优势正推动该工艺的发展挪威已有超过 的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊工艺连接 随着夹具通用性问题的解决以及设备成本的降低搅拌摩擦焊工艺在未来国内船舶制造领域具备广阔的发展前景 结论在碳达峰、碳中和背景下铝合金材料在豪华邮轮上层建筑和双燃料船 舱罐具有充足的发展动力和广阔的应用前景 鉴于铝合金与传统钢材料可焊性的巨大差异分析各类铝合金焊接工艺过程中的技术要点和控制措施并将各类焊 年第 期祁麟等:船舶铝合金焊接工艺方法对比分析船海工程第 卷接工艺的适用位置、板厚、焊接速度和技术特点进行横向综合对比分析揭示了各类工艺在高效自动焊接背景下的优劣为企业在铝合金工艺开发方面提供参考 未来应重点开展铝合金脉