船舶铝合金焊接工艺方法对比分析.pdf
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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
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