鋁合金管在船舶中的應(yīng)用與發(fā)展

陳琳

摘要：隨著新型鋁合金管材料的研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金管材料開始在船舶中的應(yīng)用逐步增多。鋁合金管因?yàn)槠涿芏刃?，力學(xué)性能較好以及加工工藝性能好，易于焊接、耐低溫等許多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于制造船舶上的諸多零部件。本文從評(píng)估鋁合金管的自身特性出發(fā)，研究其焊接工藝要求，分析船舶上使用是鋁合金管材料的三類結(jié)構(gòu)，為以后此類材料的焊接工藝提供高效的焊接方法，并拓展其應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：鋁合金管；船舶；鋁合金管焊接技術(shù)；

中圖分類號(hào)： TG146. 21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

前言：鋁和鋁合金具有良好的耐腐蝕性，導(dǎo)電性等，其理化特性決定可以廣泛的應(yīng)用于航天航空、石油化工和船舶制造等領(lǐng)域，對(duì)這些行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。但是鋁自身由于密度小，強(qiáng)度高，在焊接工藝中存在氧化、氣孔和燒穿等問(wèn)題。本文從其焊接工藝出發(fā)，研究改進(jìn)其焊接，以更好的運(yùn)用于船舶制造，拓展其利用空間，加深其利用價(jià)值。

1、鋁及鋁合金管制品的理化性質(zhì)及焊接注意的性能

鋁這種材料具有密度小，礦產(chǎn)資源豐富，價(jià)格較為適中，易于加工，強(qiáng)度較高，沒(méi)有磁性，可焊接特別是具有優(yōu)良的摩擦攪拌焊接（ FSW） 的性能，同時(shí)鋁制材料抗腐蝕性較強(qiáng)，無(wú)低溫易脆性，在低溫下鋁合金管的強(qiáng)度與塑性（伸長(zhǎng)率、壓縮性、韌性）均有著隨著溫度的降低而均衡上升的現(xiàn)象，其可以在- 200℃以下或更低的溫度下工作，并且不易出現(xiàn)變形，鋁合金管的高溫性能尚可，雖不能在180℃以上長(zhǎng)期工作，但仍然可以滿足船舶上的材料需求，可回收性較好等，因而鋁合金管很適用于制造船舶的一些部件。為了減輕船舶的質(zhì)量，增大船舶的載重量，鋁合金管質(zhì)材料是很好的制造船體、上層建筑及其他儀器設(shè)備的首選材料。鋁合金管在船舶上的應(yīng)用和發(fā)展在不斷的加深，技術(shù)要求也不斷提高，但是鋁在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題在一定程度上制約了其發(fā)展，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。本文分析其焊接工藝中也出現(xiàn)的一些問(wèn)題，下文進(jìn)行了研究和分析。

1.1 鋁制材料氧化性能極強(qiáng)，易氧化：在常溫條件下，鋁的表面就覆蓋著一層致密的保護(hù)膜，是被氧化的氧化鋁薄膜，能防止鋁制品的持續(xù)被氧化，還對(duì)內(nèi)部的鋁材料有很強(qiáng)的保護(hù)作用。從熔點(diǎn)上來(lái)看，鋁的熔點(diǎn)為600℃，而氧化鋁卻達(dá)到了2050℃，因此在焊接鋁合金管的過(guò)程中，這層氧化鋁薄膜會(huì)阻礙金屬之間的溶合，在有空氣進(jìn)入的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)氣孔，是鋁合金管的焊接出現(xiàn)焊接不穩(wěn)、不牢固的情況。

1.2 鋁合金管在焊接過(guò)程中易形成氣孔：從化學(xué)原理來(lái)看，氫能大量的溶于液態(tài)鋁，而幾乎不溶于固態(tài)的鋁合金管材料，因此在焊接結(jié)束時(shí)，液態(tài)鋁中的氫會(huì)大量析出，在焊接表面形成氣泡；并且鋁合金管在焊接時(shí)，因鋁的導(dǎo)熱性強(qiáng)，冷凝速度快，會(huì)由于析出的氣泡而造成焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔，既造成了焊接表面不美觀，也大大降低了焊接的成功率。

1.3 鋁合金管等材料具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容：在導(dǎo)熱系數(shù)上可以看出，鋁制品的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁稍微較低，但鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的4倍，因此在焊接過(guò)程中，鋁合金管需要更高的溫度和能量，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施。需要選擇功率更大的熱源和在焊接工具的選擇上也要求更為嚴(yán)格。

1.4 鋁合金管在焊接過(guò)程中易燒穿和塌陷：鋁合金管在超高溫焊接時(shí)，在其有液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的顏色和其他的指示性變化，因此，對(duì)溶化池的溫度很難判斷，也不易掌握熔化溫度，因此現(xiàn)實(shí)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)焊接時(shí)，因?qū)︿X合金管溫度的判斷不準(zhǔn)，過(guò)高導(dǎo)致鋁合金管材料的燒穿或嚴(yán)重塌陷，對(duì)鋁合金管也是一種浪費(fèi)和消耗。

1.5 鋁合金管在焊制過(guò)程中易形成熱裂紋現(xiàn)象：鋁的線性膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率相對(duì)于鋼大約是它的一倍，因此高溫焊機(jī)過(guò)程中易產(chǎn)生較大的焊接變形和應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

1.6 鋁合金管材料元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。鋁合金管材料較多，每種材料的熔點(diǎn)等不相同，在焊接過(guò)程中，母材基體金屬若變形強(qiáng)化或固化時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接時(shí)的熱量會(huì)使熱影響到的區(qū)域的強(qiáng)度下降，對(duì)焊接性能減低。

對(duì)以上鋁合金管材質(zhì)等特征，焊接時(shí)，從鋁合金管坡口設(shè)計(jì)制備、焊接口的清理、焊制材料的選擇上、焊接方法的使用等都需要綜合性的考慮。

2、鋁合金管的焊接工藝要求

2.1 在焊接材料上的選擇。原則上，焊絲應(yīng)選擇與鋁合金管材質(zhì)相同或相近的焊絲材料，并且經(jīng)過(guò)去污過(guò)氧化膜處理。氬弧焊接時(shí)，氬氣的純度應(yīng)該達(dá)到>99.95%。2.2 對(duì)鋁合金管焊接后的敲打融合上工具的選擇。鋁管的機(jī)械強(qiáng)度較低，表面容易受損，因此不能在水泥地面或者鐵臺(tái)上操作，也不能有鐵錘進(jìn)行敲擊，應(yīng)該在木質(zhì)臺(tái)面上或墊有膠皮的平臺(tái)上組對(duì)，用木錘找正。2.3 因鋁合金管應(yīng)用于船舶建造上，其使用性能特殊，故在焊接時(shí)應(yīng)選擇有經(jīng)驗(yàn)的焊工進(jìn)行施工操作，并且對(duì)焊接的工藝數(shù)據(jù)等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。2.4 焊接時(shí)采用大電流，快速焊。由于在焊接過(guò)程中用大電流，快速焊，焊透焊縫、熔化金屬受熱時(shí)間短，吸收氣體的機(jī)會(huì)少，收弧時(shí)注意填滿弧坑；?；『螅舆t停氣6 s。2.5 焊前要預(yù)熱。由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大，熱量傳導(dǎo)快，如果不預(yù)熱，鋁在焊接中容易吸收氣體產(chǎn)生氣孔，同時(shí)作為填充金屬的焊絲熔化很快，鋁管本身熔化很慢，二者之間結(jié)合很不好，通過(guò)預(yù)熱，可以降低焊接接頭的冷卻速度，使焊縫中的氣體有足夠的時(shí)間逸出。預(yù)熱溫度為250-350℃，可采用火焰預(yù)熱。

3、鋁合金管在船舶中的應(yīng)用與發(fā)展

由于鋁自身的特性和其焊接工藝的不斷改進(jìn)，在船舶升級(jí)發(fā)展中，鋁合金廣泛應(yīng)用在船舶中，大體上可以分為三類。1，一類結(jié)構(gòu)。一類機(jī)構(gòu)指的是結(jié)構(gòu)件主要以強(qiáng)度為主要因素。比如大型船舶的甲板室、船體、導(dǎo)彈發(fā)射筒等。2013年美國(guó)下水的航空母艦“福特艦”其發(fā)射軌道就是鋁合金結(jié)構(gòu)。2，二類結(jié)構(gòu)。二類結(jié)構(gòu)相對(duì)一類機(jī)構(gòu)而言，是指受力較小的結(jié)構(gòu)，比如油箱、水箱、門窗、蓋、衛(wèi)生設(shè)施、擋風(fēng)板等等，這些物件多用合金材料制造而成，廣泛應(yīng)用在船艦制造中。3，三類結(jié)構(gòu)。三類結(jié)構(gòu)不同于一二類結(jié)構(gòu)，不以強(qiáng)度為主要因素，而是多為功能材料，用于制造船艙內(nèi)部裝飾和隔熱，隔聲的材料，并且可以抗腐蝕。例如泡沫鋁板廣泛應(yīng)用在潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)室作為隔聲材料。而且鋁板表面還可以做扎花、印刷等深加工，作為船艦的內(nèi)部裝飾，也可以作為門窗，既增加美觀性，又增加實(shí)用性。

鋁和鋁合金管在船舶中的應(yīng)用主要分為此三類結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用具有廣泛的歷史和擴(kuò)大的市場(chǎng)，隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也逐漸延伸和深入，采用鋁材料制成的船艦內(nèi)部材料具有耐用性和持久性，可以促進(jìn)船艦性能的提高。

結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)對(duì)鋁及鋁合金管制品的理化性質(zhì)及焊接工藝的了解，分析了鋁合金管在焊接過(guò)程中應(yīng)注意的要素，對(duì)焊接過(guò)程中的各種影響因素進(jìn)行嚴(yán)格的控制，就會(huì)有效的避免焊接中各種誤差的發(fā)生，能有效的提高焊接質(zhì)量和焊接效率。因此在船舶建造中，對(duì)鋁合金管的應(yīng)用和發(fā)展都應(yīng)關(guān)注其的焊接工藝，鋁合金管的焊接工藝的提升，能夠加強(qiáng)它在船舶上的使用分量，可以更好的發(fā)揮其作用。拓寬其應(yīng)用的范圍和空間，使之未來(lái)的發(fā)展更具前景和市場(chǎng)。

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