船舶鋁合金焊接工藝方法對比分析

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(zhì)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(qiáng)度高、易加工、耐腐蝕以及可焊性良好的特點(diǎn)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(yīng)用范圍形成了嚴(yán)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(zhì)量的關(guān)鍵因素,對比工藝的技術(shù)特點(diǎn),為造船企業(yè)實(shí)現(xiàn)由“鋼”到 “鋁”的技術(shù)升級轉(zhuǎn)型提供思路。

1 船用鋁合金焊接難點(diǎn)分析

在造船材料方面,綜合考慮全系鋁合金在強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域大構(gòu)件尺寸、復(fù)雜非標(biāo)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(yán)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(diǎn)如下。

圖1 部分鋁合金船體選材說明

1)氧化能力強(qiáng):鋁和氧親合力強(qiáng),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(diǎn)(2 054 ℃)遠(yuǎn)高于鋁合金的熔點(diǎn)(5083鋁合金約600 ℃),在焊接過程中難以熔化并最終導(dǎo)致焊縫夾渣、氫氣孔等焊接缺陷。因此,焊前準(zhǔn)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(huì)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(shí)完全逸出,最終在焊縫內(nèi)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(dǎo)率接近鋼的3倍,凝固時(shí)體積收縮率約為5%～7%,經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后易產(chǎn)生嚴(yán)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(zhì)元素來不及擴(kuò)展,接頭性能不均勻,在應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生裂紋。

4)焊縫軟化嚴(yán)重:傳統(tǒng)鋼材料焊接中,焊縫金屬強(qiáng)度通常不低于母材,而鋁合金中Mg、Zn等低沸點(diǎn)合金元素在電弧高溫作用下極易蒸發(fā)或燒損,焊縫力學(xué)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(qiáng)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(qiáng)度較母材下降約20%～30%。

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

2 鋁合金惰性氣體保護(hù)焊

2.1 鎢極惰性氣體保護(hù)焊

鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG焊)是以鎢合金作為電極,氬氣作為保護(hù)氣的高質(zhì)量連接工藝。在焊接鋁合金材料時(shí),具有焊接穩(wěn)定、焊縫成形美觀以及機(jī)械性能良好等特點(diǎn)[5]。鋁合金TIG焊通常采用交變電流,在電流的負(fù)半周波,接負(fù)極的工件表面會(huì)受到正離子的激烈撞擊,高熔點(diǎn)的氧化膜在陰極霧化作用下破碎;在電流的正半周波,接負(fù)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(qiáng)度、保護(hù)氣流量、電弧電壓、送絲速度和焊接速度等。參數(shù)的選擇應(yīng)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(shí),應(yīng)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(lǐng)域中板材厚度通常較厚,采用多層多道的TIG焊接會(huì)使焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生過時(shí)效,降低接頭強(qiáng)度,根據(jù)Samiuddin等學(xué)者的研究成果[6],采用TIG焊對厚度為15 mm的5083鋁合金進(jìn)行多層多道焊接,在優(yōu)化后的最佳參數(shù)下,焊縫強(qiáng)度損失依然高達(dá)18.26%。因此,船舶領(lǐng)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(hù)焊

熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG焊)是以惰性氣體為保護(hù)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(lǐng)域的大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)。鋁合金MIG焊機(jī)與鋼焊接采用的MAG焊機(jī)基本相同,但由于鋁合金焊絲強(qiáng)度更低,送絲設(shè)備應(yīng)將V形驅(qū)動(dòng)軋輥換成更平穩(wěn)、光滑的四輪驅(qū)動(dòng)設(shè)備。同時(shí),應(yīng)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(yīng)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(shí)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(shí)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(dòng)焊接。而低頻脈沖法(雙脈沖法),見圖2,可以在焊工不擺動(dòng)焊槍的情況下獲得近似于TIG焊接的高質(zhì)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(qiáng)度、沖擊韌性等力學(xué)性能。

圖2 不同焊接工藝焊縫外觀對比

在工件焊接前,應(yīng)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(dǎo)致的各類焊接缺陷。此外,為了容納所需填充金屬量以達(dá)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(dǎo)率高,焊接工裝應(yīng)采用點(diǎn)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(jì)角度出發(fā)可采用100%的純氬氣作為保護(hù)氣體,而氦氣具有更高的導(dǎo)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(fù)合焊

激光-MIG復(fù)合焊結(jié)合了激光焊與電弧焊兩種工藝。與惰性氣體保護(hù)焊工藝相比,激光-MIG焊復(fù)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(fù)合焊可以提升匙孔穩(wěn)定性、增加熔池存在時(shí)間、補(bǔ)充合金元素、增加焊后熱處理功效,從而實(shí)現(xiàn)提升成形質(zhì)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(xué)性能、降低對工件裝配精度要求等一系列技術(shù)優(yōu)勢。激光-MIG復(fù)合焊具有兩種引導(dǎo)模式,采用激光引導(dǎo)時(shí),焊縫成形質(zhì)量更佳;采用電弧引導(dǎo)時(shí),接頭力學(xué)性能更好。

激光-MIG復(fù)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(dǎo)方式、保護(hù)氣體成分及流速等[9],各種工藝參數(shù)的變化會(huì)存在正、反兩方面的作用。盡管激光-MIG復(fù)合焊相比傳統(tǒng)激光焊有了長足的進(jìn)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(xué)者采用激光-MIG復(fù)合焊工藝對5xxx系鋁合金材料進(jìn)行變參數(shù)研究[10],得到焊縫形貌見圖3。

圖3 激光-MIG復(fù)合焊焊縫形貌

結(jié)果表明,在焊縫內(nèi)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(diào)節(jié)工藝參數(shù)時(shí),要綜合考慮多種參數(shù)的復(fù)合影響,要在盡可能消除氫氣孔的同時(shí),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(shí)現(xiàn)材料可靠連接的固相焊技術(shù)。與傳統(tǒng)熔化焊相比,FSW工藝在焊接鋁合金時(shí)具有線能量低焊后變形極小,非熔化避免鑄造組織缺陷,機(jī)械攪拌無需清理氧化膜,接頭強(qiáng)度高無明顯軟化,無需添加保護(hù)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(jī)械性能。對于目前船舶領(lǐng)域常用的5xxx系和6xxx系鋁合金可以實(shí)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(zhuǎn)速、壓力、插入深度、焊接傾角和焊接速度[11]。其中,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度作為關(guān)鍵參數(shù),通常由被焊材料決定,對于船舶領(lǐng)域常用的5083和6061鋁合金,常采用大于600 r/min的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的諸多技術(shù)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(shè)備昂貴等。

5 鋁鋼爆炸焊

基于輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、技術(shù)成本、耐腐蝕性等方面的綜合考量,在中大型船舶設(shè)計(jì)建造過程中,船舶主體仍采用鋼制結(jié)構(gòu),而鋁合金越來越多地被應(yīng)用在船舶上層建筑用于減輕重量、降低重心。由于鋁鋼熔點(diǎn)等物理屬性差異巨大,傳統(tǒng)熔焊工藝會(huì)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(shí)現(xiàn)可靠連接。而采用傳統(tǒng)鉚接工藝連接時(shí),接頭密封性、耐腐蝕問題以及工序復(fù)雜程度都制約了鉚接工藝在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。

現(xiàn)階段,船舶領(lǐng)域?qū)τ阡X合金上層建筑和鋼船體的連接主要通過鋁鋼復(fù)合過渡接頭實(shí)現(xiàn),見圖4。

圖4 鋁鋼復(fù)合過渡接頭示意

鋁鋼復(fù)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(fù)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(dòng)和高速射流,同時(shí)將鋁合金氧化膜噴射出來,實(shí)現(xiàn)工件連接。

6 船用鋁合金焊接工藝對比

與汽車、機(jī)車、航空航天領(lǐng)域有所不同,船舶領(lǐng)域焊接工件具有非標(biāo)定制化,板厚范圍大,焊接位置復(fù)雜等特點(diǎn),在工藝選擇方面需要綜合考慮適用范圍、技術(shù)特點(diǎn)、生產(chǎn)效率、設(shè)備成本等多方面因素。

船用鋁合金焊接工藝的主要技術(shù)特點(diǎn)見表1。盡管TIG焊的焊接速度最低,但其成型質(zhì)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(yīng)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(jìn)行焊接時(shí),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(zhì)量,減少焊接變形。因此,現(xiàn)階段MIG焊工藝在造船領(lǐng)域占據(jù)著80%以上的鋁合金焊接任務(wù)。

表1 船用鋁合金焊接工藝主要技術(shù)特點(diǎn)對比

高效自動(dòng)化焊接是各大造船企業(yè)不斷追求的目標(biāo),鋁合金激光-MIG復(fù)合焊的焊接速度可高達(dá)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(fù)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(shè)備成本相對較高,這些因素制約了該工藝的規(guī)模應(yīng)用。

攪拌摩擦焊在機(jī)理上與傳統(tǒng)熔化焊具有本質(zhì)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(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)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(dòng)該工藝的發(fā)展,挪威已有超過20%的船用鋁合金結(jié)構(gòu)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(shè)備成本的降低,攪拌摩擦焊工藝在未來國內(nèi)船舶制造領(lǐng)域具備廣闊的發(fā)展前景。

7 結(jié)論

在碳達(dá)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(dòng)力和廣闊的應(yīng)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(shù)要點(diǎn)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(shù)特點(diǎn)進(jìn)行橫向綜合對比分析,揭示了各類工藝在高效自動(dòng)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(yīng)重點(diǎn)開展鋁合金脈沖MIG焊的工藝開發(fā)研究、同時(shí)充分利用薄板車間的激光電弧復(fù)合焊接設(shè)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。