鋁合金船舶建造中的工藝特點(diǎn)初探

陳 和

（江龍船艇科技股份有限公司，廣東 中山 528462）

0 引言

鋁合金具備可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度大、質(zhì)量輕等應(yīng)用優(yōu)勢，目前已經(jīng)在船舶建造中得到了很好的應(yīng)用。與此同時(shí)，隨著焊接工藝體系的不斷成熟，如何選擇恰當(dāng)?shù)暮附庸に噾?yīng)用到鋁合金船舶建造當(dāng)中，也成為施工企業(yè)重點(diǎn)考量的問題，做好工藝特點(diǎn)篩選分析工作，對提高工藝應(yīng)用水平，提高鋁合金船舶建造水平有著積極地作用。

1 鋁合金船舶建造中的工藝特點(diǎn)

1.1 焊接過程復(fù)雜

相比于其他金屬材料，鋁合金材料中的鋁元素和外界環(huán)境的氧元素有著非常高的親和力。在常溫狀態(tài)下，鋁元素會(huì)迅速被氧化生成Al2O3，附著在結(jié)構(gòu)表層。鋁單質(zhì)的熔點(diǎn)為660℃，而覆蓋在薄膜上的Al2O3薄膜，其熔點(diǎn)為2050℃，這也導(dǎo)致焊接過程中薄膜很難順利熔化，產(chǎn)生較多的氧化物焊渣。另外，已經(jīng)形成的氧化膜還會(huì)在高溫狀態(tài)下對外溢出電子，從而導(dǎo)致電焊過程穩(wěn)定性降低，影響到最終的焊接質(zhì)量，對此在焊接前需要提前清理掉氧化薄膜，從而提高最終的焊接質(zhì)量。

1.2 容易產(chǎn)生氣孔

在上文中已經(jīng)提到，鋁元素的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，除了和氧元素容易結(jié)合在一起形成氧化物以外，鋁元素還會(huì)和氫元素發(fā)生熔解反應(yīng)，熔解時(shí)溫度越高，鋁合金中的氫元素含量也越高。在鋁合金焊接過程中，因?yàn)闇囟鹊纳仙苋菀自斐蓺湓卮罅咳谌氲戒X合金液體當(dāng)中。在溫度不斷降低的情況下，氫元素的熔解度也會(huì)下降，這也導(dǎo)致氫元素快速溢出，使未凝固鋁合金焊縫出現(xiàn)較多數(shù)量的氣孔，影響到結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。

1.3 接頭處理難度大

目前在船舶建造中所使用的鋁合金材料，主要包含Al、Zn、Mg 等元素，此類元素相似點(diǎn)在于其熔點(diǎn)較低，在高溫作用下很容易蒸發(fā)，這也會(huì)降低鋁合金接頭位置的綜合強(qiáng)度，縮減結(jié)構(gòu)本身的使用壽命。因此，在對其進(jìn)行焊接時(shí)，不能遵循鋼板焊接規(guī)范，需要結(jié)合材料特性做出適當(dāng)調(diào)整，使整個(gè)焊接過程可以更加有序地進(jìn)行，進(jìn)而提高最終的焊接質(zhì)量。

1.4 材料熱塑性強(qiáng)

在鋁合金焊接過程中，因?yàn)椴牧系娜埸c(diǎn)較低，只有660℃，因此在焊接過程中，應(yīng)選擇集中焊接的方式，避免非焊接部位在高溫作用下，出現(xiàn)了熔化的情況，影響到最終的焊接質(zhì)量。而且鋁合金材料的膨脹系數(shù)相對較大，是鋼材料的2 倍，這也意味著焊接完成后，鋁合金的體積會(huì)減少。結(jié)合以往的焊接經(jīng)驗(yàn)可以得知，其體積減少量大于5%左右，而且在面對焊縫較大的鋁合金構(gòu)件時(shí)，很容易在膨脹系數(shù)的作用下，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋，影響到結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

1.5 容易出現(xiàn)焊瘤

鋁合金在高溫作用下，會(huì)完成形態(tài)的轉(zhuǎn)變，即由固態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)結(jié)構(gòu)。在此過程中，鋁合金的形態(tài)并不會(huì)出現(xiàn)明顯的顏色變化，如果沒有對其進(jìn)行仔細(xì)檢查，很容易導(dǎo)致焊塌情況的出現(xiàn)，最后也會(huì)形成焊瘤結(jié)構(gòu)，影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。對此，焊工在工作的過程中，需要留意熔池的變化情況，結(jié)合具體的變化及時(shí)調(diào)整熔池溫度，從而確保整個(gè)焊接過程的順利推進(jìn)，提高鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量[1]。

2 鋁合金船舶建造中的常用工藝

2.1 焊條電弧焊接技術(shù)

在所有焊接技術(shù)中，焊條電弧焊接技術(shù)的出現(xiàn)時(shí)間最長，具備操作流程簡單、施工成本低等應(yīng)用優(yōu)勢。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，其作用原理在于將待焊接的鋁合金材料進(jìn)行固定，完成固定操作之后，對鋁合金表面進(jìn)行清理，同時(shí)接通焊接裝置，將焊條固定在既定位置上，按照既定順序完成焊接操作。因?yàn)樵摲椒ū容^傳統(tǒng)，因此很容易出現(xiàn)焊縫內(nèi)夾渣或焊接氣孔情況的出現(xiàn)，目前已經(jīng)很少在鋁合金船舶建設(shè)中應(yīng)用[2]。

2.2 鎢極氬弧焊接技術(shù)

TIG 焊（鎢極氬弧焊接技術(shù)）是指以鎢或鎢合金作為電極，用氬氣作為保護(hù)氣體的能滿足高質(zhì)量要求的電弧焊方法。在具體應(yīng)用中，需要注意以下幾部分內(nèi)容：①引弧與熄弧，TIG焊一般采取非接觸引弧。熄弧時(shí)，如焊機(jī)設(shè)有電流衰減，則按下停止按鈕后，要維持焊槍在原位，待電流衰減至電弧熄滅，然后慢慢將焊槍抬起。特別要指出的是不推薦拉大弧長的熄弧操作方式，因?yàn)檫@種熄弧操作對填滿弧坑及弧坑處保護(hù)不利，甚至產(chǎn)生弧坑裂紋[3]。②填絲，焊槍與填充焊絲的操作必須配合得當(dāng)，一定要等待母材熔融充分后才填絲，以免造成金屬的不融合。填充焊絲宜以15°夾角，沿著焊件在焊縫前方加入。填絲的操作應(yīng)采取從熔池前沿“點(diǎn)進(jìn)”焊絲的方式，靠熔池中熔融金屬的熱量將焊絲熔化，動(dòng)作要敏捷。填絲時(shí)要禁止把焊絲直接伸到電弧柱中，以免焊絲端部過早熔化，產(chǎn)生熔滴后進(jìn)入熔池中，這樣會(huì)造成污染鎢極，電弧不穩(wěn)，焊縫成形不良；也禁止把焊絲點(diǎn)進(jìn)熔池后就把焊絲拉離保護(hù)氣氛，否則，仍高溫的焊絲端部立即被氧化，下次送進(jìn)時(shí)帶入熔池中，從而影響焊縫質(zhì)量[4]。

2.3 激光焊接技術(shù)

在目前出現(xiàn)的焊接新技術(shù)當(dāng)中，激光焊接技術(shù)是利用激光作為加熱源的焊接技術(shù)。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，其作用原理在于按照既定要求將待焊接的鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)拼接，確定沒有問題之后，利用激光焊接設(shè)備對準(zhǔn)焊縫。啟動(dòng)設(shè)備后，裝置會(huì)對外釋放出激光輻射，激光所產(chǎn)生的熱輻射非常大，這股熱輻射可以達(dá)到融化鋁合金構(gòu)件的條件，鋼結(jié)構(gòu)在融化的過程中會(huì)重新熔合在一起，形成一個(gè)整體，從而達(dá)到熔合的目的。該方法操作簡單，并且焊接質(zhì)量較高，目前在鋁合金船舶中得到了很好的應(yīng)用。

2.4 等離子弧焊接技術(shù)

相比于其他焊接技術(shù)，等離子弧焊接技術(shù)是為了焊接鋁制材料，開發(fā)出來的新型焊接技術(shù)。該技術(shù)的作用原理在于借助等離子釋放出的熱量，將其高度集中在待焊接位置，在形成熔池之后，結(jié)構(gòu)也會(huì)熔合在一起，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。目前所使用的等離子弧焊接技術(shù)主要以鎖孔型等離子弧焊為主，此技術(shù)單次焊接厚度可達(dá)12 mm，目前已經(jīng)在船舶建設(shè)中得到應(yīng)用，其應(yīng)用效果也非常明顯，屬于發(fā)展前景非常好的焊接技術(shù)。

2.5 高速雙絲焊接技術(shù)

所謂高速雙絲焊接技術(shù)是指借助雙焊絲來完成鋁合金焊接操作的工藝。在具體應(yīng)用中，其作用原理是將鋁合金材料提前固定好，選擇雙絲MIG 焊設(shè)備作為主操作設(shè)備，該設(shè)備可以同時(shí)放入2 根焊絲，而焊絲都會(huì)有獨(dú)立電源進(jìn)行供電。2 根焊絲在焊嘴中的相位差為180°，在焊接操作過程中，可以借助交替接通脈沖電流來實(shí)現(xiàn)焊接工作的順利進(jìn)行。因?yàn)樵摵附臃椒椒ǖ墓ぷ餍屎筒僮鹘Y(jié)果質(zhì)量較高，所以目前已經(jīng)在鋁合金船舶建造中得到了很好的推廣。

2.6 電子束焊接技術(shù)

電子束焊接技術(shù)是將電子束集中在一起，使其可以作為發(fā)熱源進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接的新技術(shù)。該技術(shù)的作用原理在于將電子束焊接設(shè)備對準(zhǔn)焊縫，啟動(dòng)設(shè)備后，裝置會(huì)對外釋放出高速電子，高速電子會(huì)轟擊鋼結(jié)構(gòu)表面，釋放出巨大的熱量，這股熱量可以達(dá)到融化鋁合金材料表面的條件，鋼結(jié)構(gòu)在融化的過程中會(huì)重新熔合在一起，在結(jié)構(gòu)冷卻之后會(huì)形成一個(gè)整體，從而達(dá)到了焊接的目的。

2.7 熔化極氬弧焊接技術(shù)

除了上述應(yīng)用技術(shù)外，熔化極氬弧焊接技術(shù)也屬于常用的焊接技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)的工作原理為，啟動(dòng)焊接裝置釋放焊接電弧，焊絲受熱開始熔化后，會(huì)逐漸填充焊縫內(nèi)容。在熔池當(dāng)中，電弧會(huì)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行變長變短的調(diào)節(jié)，從而確保最終的焊接質(zhì)量，提高鋁合金材料的焊接效果。

3 結(jié)語

鋁合金材料具備較多的應(yīng)用優(yōu)勢，目前在很多領(lǐng)域中都得到了很好的應(yīng)用。在鋁合金船舶建造過程中，如何選擇恰當(dāng)?shù)暮附庸に囘M(jìn)行操作，也是操作人員需要重點(diǎn)關(guān)注的重點(diǎn)，通過梳理鋁合金船舶建造工藝特點(diǎn)，明確工藝應(yīng)用過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題，對于提高鋁合金船舶建造質(zhì)量，延長船舶使用壽命有著積極地作用。