孟軼

摘 要：文章從鋁合金的物理特性和焊接特性入手，進(jìn)而闡述鋁合金船舶建造過(guò)程中的焊接準(zhǔn)備、焊接操作、焊接變形控制及變形矯正工藝，并根據(jù)高速船的設(shè)計(jì)目標(biāo)探討鋁合金高速船舶的焊縫設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋁合金 焊接特性 變形控制 焊縫設(shè)計(jì)

引言

鋁元素在地球中的含量豐富位居第三位，僅次于氧和硅，是地殼中含量最豐富的金屬元素。迄今為止，在金屬品種中，鋁制品僅次于鐵，是我們使用的第二大類金屬。鋁及其合金因其耐腐蝕、較高的比強(qiáng)度、易加工、無(wú)磁性、無(wú)低溫轉(zhuǎn)變導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，因而在航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械制造、船舶工業(yè)、輕工業(yè)及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域所大量應(yīng)用。船舶領(lǐng)域由于鋁合金的價(jià)格因素及強(qiáng)度因素，目前僅限于小型船舶例如：軍用快艇、公務(wù)船、高速船、車客渡船、游艇等的使用。

鋁及其合金的物理及焊接特性

1、物理特性

常見(jiàn)的鋁及其合金為銀白色的輕金屬，鋁合金的命名一般采用國(guó)際四位數(shù)字體系牌號(hào)，船舶制造中主要使用的鋁合金屬于Al-Mg系的5083和6082。鋁及其合金與我們常見(jiàn)的鋼材在物理特性方面有很大差異（見(jiàn)表1）：

表1

2、焊接特性

鋁的易氧化性，低熔點(diǎn)，導(dǎo)熱迅速，線性膨脹系數(shù)大，高溫下強(qiáng)度低且形成低熔點(diǎn)共晶等特性，給焊接工作帶來(lái)很多困難：①鋁及其合金耐腐蝕的原因是基于其在空氣中易氧化而產(chǎn)生氧化膜Al2O3，這層致密的氧化膜熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，密度大于母材不易排出導(dǎo)致在焊接中產(chǎn)生未熔合或夾渣缺陷；②液態(tài)的鋁可以溶解大量的氫（0.69ml/100g），固態(tài)卻很少（0.036ml/100g），這樣的特性使得焊接過(guò)程由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)，氫大量釋放無(wú)法析出時(shí)造成焊縫產(chǎn)生氣孔；③鋁的線性膨脹系數(shù)是鐵的一倍，收縮率是鐵的兩倍，直接導(dǎo)致鋁材焊接易產(chǎn)生構(gòu)件變形；④鋁在高溫下強(qiáng)度很低，且鋁熔融后無(wú)明顯的顏色變化，焊接時(shí)容易焊穿而形成焊接缺陷。

鋁合金船的焊接及其準(zhǔn)備

鋁合金的焊接方式一般分為如下幾大類：TIG焊（鎢極氬弧焊）、MIG焊（熔化極氬弧焊）、摩擦攪拌焊、爆炸焊等。目前我國(guó)鋁合金船舶制造行業(yè)中最常用的焊接方式為EPMIG焊，EPMIG焊特點(diǎn)是去膜和熔敷效率高，使用成本較低的氬氣做為保護(hù)氣體。

1、鋁合金的焊接準(zhǔn)備

焊前處理。由于氧化膜的存在，焊前必須去除焊道內(nèi)及坡口邊緣20mm內(nèi)的氧化膜，通常采用不銹鋼刷打磨方式，鋼絲輪應(yīng)為打磨鋁材專用。打磨掉氧化膜后應(yīng)盡快進(jìn)行施焊作業(yè)，一般應(yīng)在24小時(shí)內(nèi)完成，如果時(shí)限內(nèi)未能施焊，要在焊接區(qū)域貼上真空膜隔絕空氣進(jìn)行保護(hù)，否則應(yīng)重新進(jìn)行去氧化膜處理。焊接前做好清潔工作，不允許水分、油脂、灰塵或其它污染物存在于焊接區(qū)域（必要時(shí)采取化學(xué)方法清潔）。

坡口的制備。根據(jù)板厚及焊接工藝的要求進(jìn)行制備，確保焊接坡口角度和間隙尺寸是保證焊接質(zhì)量的主要因素。板材端頭處應(yīng)設(shè)置引弧板避免起熄弧在船體焊縫上。

作業(yè)環(huán)境。作業(yè)要求焊接區(qū)域溫度在5℃以上，濕度小于80%，風(fēng)速不大于0.5m/s。當(dāng)溫度較低或者濕度超標(biāo)時(shí)，如仍需進(jìn)行施焊作業(yè)，應(yīng)采取預(yù)熱和除濕機(jī)除濕等方式改善作業(yè)環(huán)境。

2、鋁合金的焊接操作

在準(zhǔn)備工作完成后，按照認(rèn)可的焊接工藝調(diào)整好電流電壓及送絲速度，檢查保護(hù)氣體的種類及余量，就可以開(kāi)始施焊了。焊接過(guò)程中，一般采取左焊法，焊槍噴嘴下端與焊接構(gòu)件距離掌握在8～15mm之間。

由于鋁材的導(dǎo)熱率高，對(duì)于厚度達(dá)到8mm以上的厚板對(duì)接，或者厚度達(dá)到16mm以上的結(jié)構(gòu)角接，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為50℃■10℃。為了排除氧氣乙炔火焰可能帶來(lái)的不利，預(yù)熱可以采用風(fēng)筒熱風(fēng)加熱方式。對(duì)于需要進(jìn)行多道焊的厚板焊接，除了預(yù)熱外還要控制焊接過(guò)程中的層間溫度，一般控制在60℃以下。

鋁合金的焊接變形預(yù)防和變形矯正

焊接變形會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件的彎曲，引起整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)從而無(wú)法承載應(yīng)力。由于鋁合金導(dǎo)熱快及線性膨脹系數(shù)高的特點(diǎn)，使得鋁合金的焊接變形控制比鋼材更難。

1、船舶制造廠常用的焊接變形控制方法

焊接的熱輸入量是引起變形的根本所在，減少熱輸入量即控制好焊接參數(shù)，滿足規(guī)范要求的前提下減小焊腳，采用間斷焊。

預(yù)留出反變形余量，焊接結(jié)束后坡口一側(cè)焊縫冷卻收縮變形與預(yù)留余量相互抵消，此種方法對(duì)焊工的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

在焊接板材的長(zhǎng)對(duì)接縫時(shí)，采用逐段退焊的方式減小變形量，一般每段焊接的長(zhǎng)度不小于600mm，首尾重疊20mm，在下一段施焊前應(yīng)銑掉上一段的起弧點(diǎn)。

控制焊接順序。先焊對(duì)接焊縫，再焊角接焊縫；從中央?yún)^(qū)域往四周施焊；先焊船體內(nèi)側(cè)，再焊外側(cè)；先焊收縮量大的焊縫；對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)該安排兩名焊工同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱工作。

2、焊后變形的矯正措施

水火矯正。鋁合金水火矯正要求對(duì)加熱溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止過(guò)熱造成構(gòu)件的性能改變。火工的溫度一般控制在260℃ ～425℃的范圍內(nèi)，或按照鋁合金制造廠的說(shuō)明進(jìn)行。由于5000系的鋁合金在65℃ ～200℃溫度區(qū)間內(nèi)會(huì)降低其耐腐蝕性能，所以火工過(guò)程中加熱應(yīng)迅速，采用水冷快速冷卻，不宜在空氣中時(shí)效冷卻。

焊接矯正。骨材與板材角接后焊縫冷卻收縮，造成板材彎曲，此矯正法是在背向骨材的板材表面開(kāi)槽后燒焊帶來(lái)反變形對(duì)構(gòu)件進(jìn)行校正，矯正結(jié)束后再磨平焊縫。

冷加工矯正。采用校平機(jī)、折彎?rùn)C(jī)等機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行矯正，只適用于簡(jiǎn)單的板材或型材的矯平，5000系的鋁合金冷加工矯正應(yīng)在52°以下進(jìn)行。

鋁合金高速船的焊縫設(shè)計(jì)

鋁合金高速船制造上一個(gè)最重要的目標(biāo)就是達(dá)到設(shè)計(jì)航速。為了達(dá)到上述目標(biāo)，在同樣的船體線型和同等的主機(jī)功率下，空船重量越輕意味著船舶的航速越快油耗越低，鋁合金的密度只有鋼材的1/3，這能極大的減輕空船重量，這個(gè)特點(diǎn)使得鋁合金非常適合作為建造高速船的材料。endprint

除了在建造中對(duì)上船材料的重量進(jìn)行嚴(yán)格控制外，鋁合金船舶在焊接設(shè)計(jì)上及盡可能的采用間斷焊，不僅可以減輕空船重量，還能控制焊接變形。但由于間斷焊不適用于高應(yīng)力或特殊區(qū)域，因此還應(yīng)注意到下列焊縫設(shè)計(jì)要求：

1、高速船建造規(guī)范要求

船級(jí)社規(guī)范對(duì)高速船焊縫的設(shè)計(jì)要求：①規(guī)范要求雙面連續(xù)焊的連接焊縫如下：中桁材與平板龍骨、機(jī)器基座與支撐結(jié)構(gòu)、油密水密結(jié)構(gòu)周界、舵機(jī)處所有結(jié)構(gòu)、處于沖擊區(qū)域內(nèi)的底部和首部結(jié)構(gòu)、扶強(qiáng)材、支柱、橫撐材和桁材的支承及端部、螺旋槳上方處，至少為螺旋槳直徑的1.5倍的半徑區(qū)域范圍內(nèi)的所有構(gòu)件、肘板與鄰接桁材或其他結(jié)構(gòu)部件、承受較大剪應(yīng)力的桁材腹板端部、肘板與艙壁板；②焊腳高度除了按照規(guī)范中的焊接系數(shù)進(jìn)行計(jì)算外，還要求不論采用何種焊縫形式和焊接方法，角焊縫的焊腳要≥3mm，但不必超過(guò)較簿構(gòu)件厚度的1.5倍。間斷焊縫的焊腳高度一般不大于7mm；③在采用間斷焊時(shí)，肘板趾端包角長(zhǎng)度應(yīng)不小于連接骨材的高度，且不小于75mm；型材端部特別是端部削斜時(shí)，包角的長(zhǎng)度應(yīng)為型材的高度或不小于削斜長(zhǎng)度，取大者；各種開(kāi)孔、切口處端部和相互垂直的連接構(gòu)件的垂直交叉處，應(yīng)不小于75mm；間斷焊縫連續(xù)長(zhǎng)度一般不小于15倍板厚或者75mm取小者。

2、經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充要求

在滿足建造規(guī)范要求的前提下，船廠還根據(jù)設(shè)計(jì)公司要求、多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)船東的信息反饋加以補(bǔ)充：①舷側(cè)防撞護(hù)舷材對(duì)應(yīng)船殼內(nèi)的縱骨應(yīng)雙面連續(xù)焊；②海水壓載艙內(nèi)所有構(gòu)件的角焊縫應(yīng)雙面連續(xù)焊；③上建艙壁對(duì)應(yīng)的甲板下骨材或橫梁應(yīng)雙面連續(xù)焊；④系泊設(shè)備、吊機(jī)、艇架、立柱、桅桿與船體連接的結(jié)構(gòu)及附近構(gòu)件應(yīng)雙面連續(xù)焊；⑤甲板上通風(fēng)筒，注入口，空氣管等穿艙件的厚度應(yīng)不小于其所在船體處的板厚；⑥可能長(zhǎng)期附著冷凝水的區(qū)域應(yīng)雙面連續(xù)焊；⑦所有的角隅圓弧和斜切角處需要雙面連續(xù)焊；⑧肘板處的焊縫都是雙面連續(xù)焊；⑨甲板或艙壁開(kāi)口的周界結(jié)構(gòu)應(yīng)雙面連續(xù)焊。

結(jié)束語(yǔ)

鋁合金高速船的焊接有著非常鮮明的特點(diǎn)，與鋼制船舶在規(guī)范要求、焊縫設(shè)計(jì)及焊接方面存在著明顯的差異。鋁合金的焊接條件比鋼制船要苛刻的多，這對(duì)造船廠焊接工藝和管理提出了更高要求。鋁合金的焊縫設(shè)計(jì)，焊接變形控制和新型焊接方式仍需要我們?nèi)ゲ粩嗟奶剿骱脱芯俊?/p>

（作者單位：中國(guó)船級(jí)社廣州分社）endprint