高智慧，仇鳳平，鄭向宇，龔 容，張韶華

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

鋁合金具有密度小、無(wú)磁性、可焊接性好、加工成型性好、耐腐蝕性好和成本低等特點(diǎn)，不僅可作為板材，而且可進(jìn)行擠壓成型，加工為型材及帶筋板。14 400 t系列船的上層建筑設(shè)計(jì)為鋁合金結(jié)構(gòu)，由于其材質(zhì)和特性與鋼質(zhì)不同，因此需要研究相應(yīng)的焊接工藝，以確保鋁合金分段的焊接質(zhì)量。

1 材料選用

1.1 板 材

板材采用防銹鋁5×××(Al-Mg)系列的5083，供貨狀態(tài)為H116，主要采用固溶處理及加工硬化的方式強(qiáng)化，屬于非熱處理強(qiáng)化鋁合金。其主要合金成分為鎂，鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%～4.9%，在合金中加入少量的錳和鈦等其他元素，合金中的雜質(zhì)主要為鐵、銅及鋅等。增加合金元素可提高硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，降低延伸率和斷面收縮率，在非熱處理合金中具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性、可焊接性及可切削性，因此5083-H116鋁合金廣泛用于船舶[1]。

1.2 型 材

型材采用熱處理強(qiáng)化鋁合金6×××(Al-Mg-Si)系列的6082，供貨狀態(tài)為T(mén)6。經(jīng)固溶處理后進(jìn)行人工時(shí)效處理，不再進(jìn)行冷加工，但可進(jìn)行矯直和矯平。主要合金成分為鎂-硅，鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%～1.3%。型材分為2類(lèi)：擠壓帶筋板和擠壓型材。擠壓帶筋板(見(jiàn)圖1)采用長(zhǎng)而寬的構(gòu)架間距為250 mm的3+IP40×3 000 mm×12 000 mm(3表示帶筋板厚度為3 mm，IP40表示帶筋板的筋即雙頭球鋁高度為40 mm，含義下同)和構(gòu)架間距為380 mm的4+IP60×3 040 mm×12 000 mm，可大幅減少焊縫數(shù)量，在較大程度上避免對(duì)焊接質(zhì)量的不利影響。擠壓型材采用IP40×6 000 mm和IP80×6 000 mm等。這些合金具有良好的鍛造性能，其成型加工性、可焊接性和耐腐蝕性較好，陽(yáng)極氧化效果優(yōu)良。

圖1 擠壓帶筋板

2 焊接難點(diǎn)

鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容比鋼大較多，在焊接過(guò)程中大量的熱量被迅速傳導(dǎo)至鋁合金母材內(nèi)部。鋁在空氣中較易與氧結(jié)合生成難熔的、高熔點(diǎn)的氧化膜，在焊接過(guò)程中氧化膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易形成夾渣。鋁合金在達(dá)到高于其熔點(diǎn)的一定溫度時(shí)，較易吸氫，其液態(tài)熔解度比固態(tài)熔解度高出較多，在焊縫凝固時(shí)大量氫析出。由于鋁合金散熱快、凝固快，因此氫較易滯留在焊縫金屬中形成氣孔。鋁合金線膨脹系數(shù)為鋼的2倍，凝固時(shí)的體積收縮率較大，往往由于過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生熱裂紋。鋁合金在由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)無(wú)明顯的顏色變化，不易判斷母材溫度，在施焊時(shí)經(jīng)常由于溫度過(guò)高無(wú)法察覺(jué)而造成焊穿[2]。

3 焊接質(zhì)量控制

3.1 焊接方法

由于鋁的熱導(dǎo)率高，因此在焊接時(shí)必須采用能量集中、功率大的熱源。目前，熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal Inert Gas Welding，MIG焊)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG焊)是應(yīng)用較多的焊接方法，特別是MIG焊，已被公認(rèn)為是一種高效率和高質(zhì)量的焊接方法[3]。MIG焊：焊絲選用ER5183，直徑為1.2 mm；保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣；采用全數(shù)字脈沖MIG焊/MAG焊焊機(jī)。TIG焊：焊絲選用ER5183，直徑為2.4 mm和3.2 mm；鈰鎢電極，直徑為2.4 mm和3.2 mm；保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣；采用雙逆變控制交直流TIG焊焊機(jī)。

MIG焊能量集中、功率大，可有效補(bǔ)償由鋁的高熱導(dǎo)率造成的熱量損失；可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)和全自動(dòng)焊接，焊絲送進(jìn)連續(xù)自動(dòng)，表面無(wú)熔渣；焊接速度快、變形小，可實(shí)現(xiàn)各種位置焊接，靈活性強(qiáng)。選用ER5183焊絲，不僅可有效減少或避免熱裂紋生成，而且可保證焊縫強(qiáng)度要求。采用純度為99.99%的氬氣保護(hù)，不僅可使熔滴過(guò)渡較穩(wěn)定，熱輸入量較小，減少熱裂紋傾向，而且可保證無(wú)飛濺或最小飛濺，其密度大于空氣，保護(hù)效果較好，可大幅減少氣孔生成。采用雙脈沖過(guò)渡電弧MIG焊，實(shí)現(xiàn)非短路過(guò)渡，熔滴均勻且大小可調(diào)，焊縫具有良好的抗氣孔性能和耐腐蝕性能，焊接變形小，熱影響區(qū)小，焊縫強(qiáng)度高[4]。

采用雙脈沖過(guò)渡電弧，在焊接過(guò)程中通過(guò)調(diào)整低頻脈沖的頻率和低頻脈沖峰值與基值的電流改善焊縫成型。焊縫魚(yú)鱗紋如圖2所示。低頻脈沖頻率低，雙脈沖峰值電流和基值電流切換速度慢，焊縫魚(yú)鱗紋間距大；反之，焊縫魚(yú)鱗紋間距小而細(xì)密。根據(jù)鋁合金板材厚度調(diào)節(jié)峰值電流和基值電流可取得相應(yīng)的熔深，在峰值電流和基值電流相互切換過(guò)程中有效攪動(dòng)熔池，排出氫以減少氣孔，減少對(duì)母材的熱輸入，防止鋁合金材料過(guò)熱產(chǎn)生膨脹變形，使焊縫組織顆粒細(xì)密，提高焊縫強(qiáng)度。在施焊過(guò)程中，焊接人員應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝參數(shù)操作以保證焊接質(zhì)量。焊接工藝參數(shù)如表1～表3所示，其中：DCEP(Direct Current Electrode Positive)為直流反接。

表1 5083鋁合金板材MIG焊焊接工藝參數(shù)

表2 6082鋁合金擠壓帶筋板和擠壓型材MIG焊焊接工藝參數(shù)

表3 MIG焊多道焊焊接工藝參數(shù)

圖2 焊縫魚(yú)鱗紋

定位焊是為裝配和固定構(gòu)件而進(jìn)行的一種焊接，在定位焊的表面需要進(jìn)行主焊道施焊，因此保證定位焊的質(zhì)量同樣重要[5]。鋁的線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱速度快，定位焊較鋼件應(yīng)密一些，其焊接參數(shù)如表4所示。為保證焊縫強(qiáng)度，定位焊采用與主焊縫相同的焊絲ER5183。

表4 定位焊焊接參數(shù) mm

在主焊縫焊接前，需要在定位焊焊縫引、熄弧處進(jìn)行整修或在可能時(shí)清除定位焊。在薄板或不厚的中厚板對(duì)接焊時(shí)，由于鋁合金熔化狀態(tài)的表面張力小，較易下塌，因此在主焊縫焊接前，在對(duì)接縫的背面一般需要安裝不銹鋼襯條(盡可能不用紫銅襯墊，焊縫夾銅易產(chǎn)生裂紋)。在條件允許的情況下，拼板(包括帶筋板)對(duì)接焊需要采用工件夾和壓鐵等將待焊工件夾緊和壓牢，采用自動(dòng)焊小車(chē)進(jìn)行焊接。立對(duì)接焊選用真空吸盤(pán)軌道自動(dòng)焊小車(chē)進(jìn)行焊接。橫對(duì)接焊先焊接結(jié)構(gòu)面，再在反面進(jìn)行清根，最后焊接非結(jié)構(gòu)面。鋁型材雙頭球鋁焊接可采用不銹鋼襯墊，先焊接腹板正面，反面清根，再焊接腹板反面，最后焊接球頭位置。對(duì)接雙面焊在單面堆滿(mǎn)后，反面根部不允許碳刨，只可使用清根機(jī)和角磨機(jī)等機(jī)械加工工具進(jìn)行清根處理，再進(jìn)行反面焊接。

3.2 焊前清潔

為避免焊絲和焊道表面的氧化物、油污、水、殘存熔劑和焊渣等對(duì)焊縫質(zhì)量造成不利影響，必須對(duì)焊絲和焊道進(jìn)行嚴(yán)格清潔，并加強(qiáng)焊接區(qū)域的保護(hù)。鋁合金材料的清潔方法與鋼質(zhì)不同。為避免鐵分子對(duì)鋁合金的腐蝕，施工場(chǎng)地必須與鋼質(zhì)分段制作場(chǎng)地隔離，車(chē)間應(yīng)清潔少塵。采用風(fēng)動(dòng)不銹鋼絲刷清除母材表面氧化鋁、漆、塵和切割殘?jiān)?，選用熱空氣烘干水分，采用低速角磨機(jī)或清根機(jī)對(duì)定位焊及坡口進(jìn)行清根，采用丙酮擦去油污。已清潔的焊接區(qū)域和焊絲應(yīng)注意保護(hù)，不可用手觸摸；若被污染，再用丙酮清洗，焊工應(yīng)戴干凈手套操作。MIG焊清潔后的焊縫必須在4 h內(nèi)焊接完畢，否則新的氧化膜生成，若超過(guò)時(shí)間必須重新清潔。TIG焊可在清潔后的24 h內(nèi)焊接完畢。

3.3 焊接順序

合理的焊接順序可減小焊接內(nèi)應(yīng)力和變形。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合構(gòu)件的可焊接性、最小焊接變形與內(nèi)應(yīng)力及最佳經(jīng)濟(jì)性等方面，制訂合理的焊接順序，并貫穿整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程。在焊接時(shí)，應(yīng)盡可能減小熱輸入量和填充金屬，應(yīng)盡可能使單一構(gòu)件可自由伸縮，由中間向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接，先焊接對(duì)接焊縫后焊接角焊縫，先焊接短焊縫后焊接長(zhǎng)焊縫，先焊接縱焊縫后焊接環(huán)焊縫，先焊接拉應(yīng)力區(qū)后焊接剪應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，構(gòu)件鋼性最大的部位最后焊接，以最大限度地減小焊接變形和內(nèi)應(yīng)力。在對(duì)變形具有較高要求時(shí)，半自動(dòng)焊接可采用分段退焊法。以工字鋼型材組裝為例，其焊接順序如圖3所示：①下翼板對(duì)接縫；②上翼板對(duì)接縫；③腹板對(duì)接縫；④下翼板角接縫；⑤下翼板角接縫，對(duì)稱(chēng)施焊；⑥上翼板角接縫；⑦上翼板角接縫，對(duì)稱(chēng)施焊。

圖3 工字鋼型材組裝焊接順序

3.4 無(wú)損檢測(cè)

鋁合金焊縫質(zhì)量檢測(cè)通常采用射線探傷(Radiographic Testing，RT)、超聲波探傷(Ultrasonic Testing，UT)及滲透探傷(Penetrant Testing，PT)探測(cè)鋁合金內(nèi)部及表面缺陷，從而保證鋁合金結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量的可靠性[6]。上層建筑鋁合金分段重要部位焊縫采用RT和UT方法進(jìn)行檢測(cè)，一般部位焊縫采用UT和PT方法進(jìn)行檢測(cè)。氣孔、裂紋、夾渣、未熔合等缺陷必須進(jìn)行焊縫修補(bǔ)，采用清根機(jī)將焊縫內(nèi)部及表面缺陷清除，開(kāi)相應(yīng)坡口，采用堆焊處理。若遇燒穿，應(yīng)先補(bǔ)焊焊縫正面，反面清根，再補(bǔ)焊焊縫反面；補(bǔ)焊完成，經(jīng)再次探傷確認(rèn)，修整焊縫形狀，表面需要打磨光順。同一部位返修次數(shù)不得超過(guò)3次。

3.5 注意事項(xiàng)

從事上層建筑鋁合金分段建造的加工人員、裝配工、電焊工、打磨工、無(wú)損檢測(cè)人員和管理人員等均須經(jīng)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)和考試合格，經(jīng)相關(guān)船級(jí)社認(rèn)可方可持證上崗；施工場(chǎng)地、加工設(shè)備和吊運(yùn)料架等均須涂油漆，以減少或避免腐蝕；應(yīng)注意環(huán)境溫度和濕度影響，在必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)預(yù)熱措施或停工操作；焊接過(guò)程層間溫度不可超過(guò)60 ℃，避免燒穿，避免降低焊縫強(qiáng)度和韌性，減小焊接變形。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)14 400 t系列船的實(shí)船應(yīng)用，不斷對(duì)上層建筑鋁合金分段焊接工藝摸索、研究、總結(jié)和優(yōu)化，使焊接質(zhì)量逐步提高，鋁合金焊縫一級(jí)品率達(dá)99%以上，重要部位二級(jí)品率達(dá)100%，得到船舶所有人高度認(rèn)可。所進(jìn)行的研究與實(shí)踐可為今后鋁合金的選材和焊接質(zhì)量控制提供參考，并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化新的鋁合金焊接技術(shù)，根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的鋁合金材料和焊接方法，更好地應(yīng)用鋁合金，使其在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。