祁麟,喻軍,李超,趙立蘇

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

在節(jié)能減排、綠色造船的背景下,使用輕質合金替代傳統(tǒng)碳鋼材料成為了船舶輕量化的重要選擇,鋁合金因其具有密度低、比強度高、易加工、耐腐蝕以及可焊性良好的特點成為首選材料[1]。然而,與傳統(tǒng)碳鋼材料相比,鋁合金在傳統(tǒng)熔化焊過程中普遍存在易氧化、氣孔多、接頭軟化、易開裂、焊后變形大等問題,對鋁合金材料的應用范圍形成了嚴重制約[2]。為此,考慮分析影響船用5xxx系、6xxx系鋁合金在常用焊接工藝方法下焊接質量的關鍵因素,對比工藝的技術特點,為造船企業(yè)實現(xiàn)由“鋼”到 “鋁”的技術升級轉型提供思路。

1 船用鋁合金焊接難點分析

在造船材料方面,綜合考慮全系鋁合金在強度、延展性、抗腐蝕性、裂紋傾向性和可焊性等方面的性能,船殼結構主要采用5xxx系鋁合金(5052、5083、5086、5454等)制作,船用擠壓型材采用6xxx系鋁合金(6005、6061、6063等)居多,見圖1。盡管5xxx系和6xxx系鋁合金的可焊性相對較好,但在船舶領域大構件尺寸、復雜非標的焊接位置、以及相對粗放型的制造過程中,船用鋁合金焊接依然面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)鋼材料相比,船用鋁合金主要焊接難點如下。

圖1 部分鋁合金船體選材說明

1)氧化能力強:鋁和氧親合力強,在空氣中容易形成一層厚度約0.01～0.05 μm致密的Al2O3薄膜,該氧化膜的熔點(2 054 ℃)遠高于鋁合金的熔點(5083鋁合金約600 ℃),在焊接過程中難以熔化并最終導致焊縫夾渣、氫氣孔等焊接缺陷。因此,焊前準備和清理工作非常重要。

2)易產(chǎn)生氫氣孔:鋁合金在固液兩相的溶氫能力相差19倍,在焊接過程中,焊絲和工件氧化膜中殘留的水分會以氫原子的形式溶解在熔融金屬中[3],在快速凝固過程中,從熔池中析出的氫氣無法及時完全逸出,最終在焊縫內部產(chǎn)生氫氣孔缺陷。

3)變形和裂紋傾向性大:鋁合金熱膨脹系數(shù)為鋼的2倍左右,熱導率接近鋼的3倍,凝固時體積收縮率約為5%～7%,經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后易產(chǎn)生嚴重變形[4];此外,鋁合金作為典型的共晶合金,在快速凝固過程中溶質元素來不及擴展,接頭性能不均勻,在應力作用下極易產(chǎn)生裂紋。

4)焊縫軟化嚴重:傳統(tǒng)鋼材料焊接中,焊縫金屬強度通常不低于母材,而鋁合金中Mg、Zn等低沸點合金元素在電弧高溫作用下極易蒸發(fā)或燒損,焊縫力學性能較母材發(fā)生明顯下降,冷軋后的5xxx系鋁合金經(jīng)過焊接熱循環(huán)后,焊縫強度較母材下降約5%～10%,而熱處理后的6xxx系鋁合金,焊后焊縫強度較母材下降約20%～30%。

上述原因是制約鋁合金在船舶領域發(fā)展的主要因素。此外,鋁合金由于高溫強度低、流動性好、固液轉化無顏色變化等特點,給半自動惰性氣體保護焊工藝在焊接過程中帶來更大的挑戰(zhàn),對操作技術人員要求更高。因此,為了在實際生產(chǎn)過程中可以更好地掌握鋁合金的焊接工藝,結合上述挑戰(zhàn)對船舶領域常用的焊接方式進行綜合分析對比。

2 鋁合金惰性氣體保護焊

2.1 鎢極惰性氣體保護焊

鎢極惰性氣體保護焊(TIG焊)是以鎢合金作為電極,氬氣作為保護氣的高質量連接工藝。在焊接鋁合金材料時,具有焊接穩(wěn)定、焊縫成形美觀以及機械性能良好等特點[5]。鋁合金TIG焊通常采用交變電流,在電流的負半周波,接負極的工件表面會受到正離子的激烈撞擊,高熔點的氧化膜在陰極霧化作用下破碎;在電流的正半周波,接負極的鎢極處僅占電弧總熱量的1/3,鎢極得以冷卻,避免了過熱熔化后的焊縫夾鎢問題。

鋁合金TIG焊的主要焊接參數(shù)包括電流強度、保護氣流量、電弧電壓、送絲速度和焊接速度等。參數(shù)的選擇應該從避免缺陷、減小變形、兼顧效率的角度入手,在焊接過程中宜采用低線能量的方法,提高焊接速度。同時,應采用左焊法,有利于獲得成形更好、缺陷更少、更光澤的焊縫。

TIG焊的缺陷在于其熔深較淺、熱輸入相對較高、焊接速度相對較慢,通常只適用于6 mm以下的薄板。而船舶領域中板材厚度通常較厚,采用多層多道的TIG焊接會使焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生過時效,降低接頭強度,根據(jù)Samiuddin等學者的研究成果[6],采用TIG焊對厚度為15 mm的5083鋁合金進行多層多道焊接,在優(yōu)化后的最佳參數(shù)下,焊縫強度損失依然高達18.26%。因此,船舶領域中鋁合金TIG焊通常僅用于打底焊接或管件焊接。

2.2 熔化極惰性氣體保護焊

熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)是以惰性氣體為保護氣的一種熔解放電電極的消耗式焊接工藝。與TIG焊相比,MIG焊可接受的焊接電流更高、焊接速度更快,非常適用于船舶領域的大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)。鋁合金MIG焊機與鋼焊接采用的MAG焊機基本相同,但由于鋁合金焊絲強度更低,送絲設備應將V形驅動軋輥換成更平穩(wěn)、光滑的四輪驅動設備。同時,應選擇推拉式焊槍、或拉絲式焊槍替代傳統(tǒng)鵝頸推絲式焊槍。

鋁合金MIG焊通常選擇直流反接法,利用陰極霧化效應去除鋁合金工件表面氧化膜[7]。普通MIG焊采用小電流短路過渡或大電流射流過渡,其飛濺量大,在焊接鋁合金時成形較差。而脈沖MIG焊接通過輸出一定頻率和幅值的電流可以實現(xiàn)一脈沖一熔滴的脈沖射流過渡形式,其中中頻脈沖法頻率高、能有效清理氧化膜,適合高效自動焊接。而低頻脈沖法(雙脈沖法),見圖2,可以在焊工不擺動焊槍的情況下獲得近似于TIG焊接的高質量焊縫外觀[8]。與普通MIG焊相比,可以更加精確地控制能量密度,消除氣孔、裂紋等焊接缺陷,改善接頭強度、沖擊韌性等力學性能。

圖2 不同焊接工藝焊縫外觀對比

在工件焊接前,應采用丙酮清洗表面油污,然后用不銹鋼拋光輪打磨鋁合金工件表面,隨后用鋼絲刷再次清理坡口處氧化膜,以避免氧化膜導致的各類焊接缺陷。此外,為了容納所需填充金屬量以達到MIG焊工藝所需的電流大小,降低氣孔等焊接缺陷,鋁合金MIG焊的工件坡口角度通常大于鋼材料所開坡口。此外,鋁合金熱導率高,焊接工裝應采用點接觸式工裝以避免熔池過快凝固。在鋁合金薄板焊接中,從經(jīng)濟角度出發(fā)可采用100%的純氬氣作為保護氣體,而氦氣具有更高的導熱性,隨著工件板厚的增加,需要加入比例為30%～80%的氦氣,以提高焊接速度、增大熔深、減少氣孔率。在焊接參數(shù)選擇方面需要遵循能量密度大、焊接速度快、線能量密度低的原則,以消除氫氣孔等焊接缺陷、并避免過大的焊接變形。

3 鋁合金激光電弧復合焊

激光-MIG復合焊結合了激光焊與電弧焊兩種工藝。與惰性氣體保護焊工藝相比,激光-MIG焊復合作用可以拓展熔深、熔寬,從而減少焊道次數(shù),控制焊接變形。與傳統(tǒng)激光深熔焊相比,激光-MIG復合焊可以提升匙孔穩(wěn)定性、增加熔池存在時間、補充合金元素、增加焊后熱處理功效,從而實現(xiàn)提升成形質量、減少氫氣孔、咬邊等焊接缺陷、降低焊縫軟化程度、改善接頭力學性能、降低對工件裝配精度要求等一系列技術優(yōu)勢。激光-MIG復合焊具有兩種引導模式,采用激光引導時,焊縫成形質量更佳;采用電弧引導時,接頭力學性能更好。

激光-MIG復合焊主要工藝參數(shù)包括:激光功率、電弧電流電壓、焊接速度、激光與電弧中心距離、激光電弧主導方式、保護氣體成分及流速等[9],各種工藝參數(shù)的變化會存在正、反兩方面的作用。盡管激光-MIG復合焊相比傳統(tǒng)激光焊有了長足的進步,但在焊接過程中焊縫中的氣孔缺陷依然難以徹底消除, Casalino等學者采用激光-MIG復合焊工藝對5xxx系鋁合金材料進行變參數(shù)研究[10],得到焊縫形貌見圖3。

圖3 激光-MIG復合焊焊縫形貌

結果表明,在焊縫內部分布著大量的氣孔缺陷,采用高能量密度的方式雖可以一定程度地減少氣孔率,但在最優(yōu)參數(shù)下,焊縫氣孔率依然接近5%;而隨著熱輸入的不斷提升,焊瘤等其他缺陷也隨之產(chǎn)生。因此,在調節(jié)工藝參數(shù)時,要綜合考慮多種參數(shù)的復合影響,要在盡可能消除氫氣孔的同時,避免焊瘤、變形過大等問題,提升焊接速度以保證企業(yè)的生產(chǎn)效率。

4 鋁合金攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是可以在非熔化狀態(tài)下實現(xiàn)材料可靠連接的固相焊技術。與傳統(tǒng)熔化焊相比,FSW工藝在焊接鋁合金時具有線能量低焊后變形極小,非熔化避免鑄造組織缺陷,機械攪拌無需清理氧化膜,接頭強度高無明顯軟化,無需添加保護氣以及安全無污染等諸多優(yōu)勢。與鋼材料相比,鋁合金的塑性變形溫度僅為450 ℃左右,在此溫度下攪拌頭可以保持良好的機械性能。對于目前船舶領域常用的5xxx系和6xxx系鋁合金可以實現(xiàn)1～20 mm板材厚度的可靠連接,可焊接的接頭類型包括對接、搭接、T型和角接接頭。

FSW工藝的參數(shù)包括攪拌頭種類、轉速、壓力、插入深度、焊接傾角和焊接速度[11]。其中,攪拌頭旋轉速度作為關鍵參數(shù),通常由被焊材料決定,對于船舶領域常用的5083和6061鋁合金,常采用大于600 r/min的強規(guī)范。攪拌頭的插入深度和焊接速度通常取決于待焊材料的厚度。

盡管攪拌摩擦焊具有熔化焊難以實現(xiàn)的諸多技術優(yōu)勢,但其仍存在自身的局限性,例如對工件剛性約束的要求極高,夾具的通用性較差,工件背面需要墊板,設備昂貴等。

5 鋁鋼爆炸焊

基于輕量化、結構強度、技術成本、耐腐蝕性等方面的綜合考量,在中大型船舶設計建造過程中,船舶主體仍采用鋼制結構,而鋁合金越來越多地被應用在船舶上層建筑用于減輕重量、降低重心。由于鋁鋼熔點等物理屬性差異巨大,傳統(tǒng)熔焊工藝會在鋁鋼接合面處生成FeAl3和Fe2Al5等脆性的金屬間化合物,無法實現(xiàn)可靠連接。而采用傳統(tǒng)鉚接工藝連接時,接頭密封性、耐腐蝕問題以及工序復雜程度都制約了鉚接工藝在船舶領域的應用。

現(xiàn)階段,船舶領域對于鋁合金上層建筑和鋼船體的連接主要通過鋁鋼復合過渡接頭實現(xiàn),見圖4。

圖4 鋁鋼復合過渡接頭示意

鋁鋼復合過渡接頭由船用鋁合金、工業(yè)純鋁和船用鋼3種材料經(jīng)過爆炸焊復合而成[12]。在爆炸焊過程中,覆板在炸藥產(chǎn)生的百萬級兆帕壓力作用下撞向基板,在接合面處產(chǎn)生塑性流動和高速射流,同時將鋁合金氧化膜噴射出來,實現(xiàn)工件連接。

6 船用鋁合金焊接工藝對比

與汽車、機車、航空航天領域有所不同,船舶領域焊接工件具有非標定制化,板厚范圍大,焊接位置復雜等特點,在工藝選擇方面需要綜合考慮適用范圍、技術特點、生產(chǎn)效率、設備成本等多方面因素。

船用鋁合金焊接工藝的主要技術特點見表1。盡管TIG焊的焊接速度最低,但其成型質量、焊縫性能最優(yōu),對于厚度較薄、性能要求極高的管系連接,應優(yōu)先選用TIG焊工藝。鋁合金MIG焊可以采用更大的焊接電流,其焊接速度較TIG焊提高了約3～5倍,并且適用于厚度在50 mm以下板材的多層多道焊接。對鋁合金中厚板(12 mm以下)進行焊接時,普通MIG焊方法的熱輸入難以控制,容易造成變形、焊接缺陷等問題,采用脈沖MIG焊方法,焊接速度雖略有下降,但其一脈一滴的射滴過渡方式能大幅降低焊接飛濺、抑制焊接缺陷、提高成形質量,減少焊接變形。因此,現(xiàn)階段MIG焊工藝在造船領域占據(jù)著80%以上的鋁合金焊接任務。

表1 船用鋁合金焊接工藝主要技術特點對比

高效自動化焊接是各大造船企業(yè)不斷追求的目標,鋁合金激光-MIG復合焊的焊接速度可高達1 000～2 000 mm/min,對于厚度小于15 mm的板對接、T形和角接焊縫,其焊接效率較MIG焊接提升約3～4倍,且焊接變形更小。但是,目前激光-MIG復合焊對于裝夾精度要求依然過高,氣孔、咬邊等缺陷依然難以根除,設備成本相對較高,這些因素制約了該工藝的規(guī)模應用。

攪拌摩擦焊在機理上與傳統(tǒng)熔化焊具有本質不同,現(xiàn)階段對于板厚小于20 mm的對接、搭接、T形和角接焊縫已經(jīng)可以實現(xiàn)高效高質量焊接,其變形極小、無鑄造缺陷和安全環(huán)保等顯著優(yōu)勢正推動該工藝的發(fā)展,挪威已有超過20%的船用鋁合金結構采用攪拌摩擦焊工藝連接。隨著夾具通用性問題的解決以及設備成本的降低,攪拌摩擦焊工藝在未來國內船舶制造領域具備廣闊的發(fā)展前景。

7 結論

在碳達峰、碳中和背景下,鋁合金材料在豪華郵輪上層建筑和雙燃料船LNG艙罐具有充足的發(fā)展動力和廣闊的應用前景。鑒于鋁合金與傳統(tǒng)鋼材料可焊性的巨大差異,分析各類鋁合金焊接工藝過程中的技術要點和控制措施,并將各類焊接工藝的適用位置、板厚、焊接速度和技術特點進行橫向綜合對比分析,揭示了各類工藝在高效自動焊接背景下的優(yōu)劣,為企業(yè)在鋁合金工藝開發(fā)方面提供參考。未來應重點開展鋁合金脈沖MIG焊的工藝開發(fā)研究、同時充分利用薄板車間的激光電弧復合焊接設備開發(fā)鋁合金焊接工藝,盡快擁有鋁合金材料的高效自主焊接能力。