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船用铝合金TIG焊、MIG 焊等

19-08-21 11:34  

有色金属焊接

    由于铝的低密度、高强度、高刚性和耐腐性,使用铝建造的船舶与使用钢材或其它合成材料建造的船舶相比重量减轻15%至20%。铝合金的高韧性、抗腐蚀性以及可焊性为建造对重量要求严格的船型提供了很好的选择,再加上铝的加工成本较低及铝合金突出的物理特性,使得用铝合金制造船舶十分经济。从船舶设计者角度来看,使用铝合金制造的船舶可以达到更高的速度以及更长的使用寿命。铝合金的这些优点使其在船舶的应用上发展得很快。船用铝合金焊接工艺都有那些呢?

TIG 焊和MIG 焊

    铝合金常用的焊接方法是钨极惰性气体保护焊(TIG焊)和熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)。TIG焊的电极是难熔金属钨或钨的合金棒,电弧燃烧过程中电极是不熔化的,故易维持恒定的电弧长度,焊接过程稳定。焊接时,电极、电弧区以及熔化金属都处在惰性气体保护之中,使之与空气隔离。最常用的是钨极氩弧焊,即以氩气作保护气体。铝合金TIG焊一般采用交流电源,利用电流在负半波时的阴极雾化效应可以有效清理铝合金表面的氧化膜,改善熔合性。MIG焊采用焊丝作电极及填充金属,并在惰性气体保护下进行焊接。由于用焊丝作电极,可采用高密度焊接电流,因而母材熔渗大,填充金属熔敷速度快,焊件变形比TIG焊小。铝合金熔化极氩弧焊采用直流反接,有良好的阴极雾化作用,可有效确保焊缝的质量要求。

    传统的铝合金钨极氩弧焊(TIG)焊接热输入大,焊接速度慢,在焊缝及其附近产生较高的峰值温度和较宽的热影响区,使焊缝金属和附近母材产生过时效,从而造成焊接接头强度和硬度的大幅降低。铝合金熔化极气体保护焊(MIG)焊接线能量小,焊接速度快,焊接铝合金特别是热处理强化铝合金(6000系列、7000系列)时,有利于改善焊缝金属和焊接热影响区的组织,有效地减小焊接接头的强度损失。国外研究表明,铝合金MIG焊焊接接头比TIG焊焊接接头具有更高的抗疲劳性能。另外,由于MIG焊焊接线能量小,结构建造时所产生的焊接变形也小,因而对产品整体质量的保证也极为有利。

    经过近几年的发展,MIG焊从焊接设备、焊接材料到焊接工艺,都日益走向成熟,获得高质量的MIG焊缝已经成为可能。目前,国外铝合金焊接90%以上采用MIG焊,国内的铝合金MIG焊技术也得到了迅速发展。针对船用铝合金的焊接以及MIG焊显现出的突出优点,研究并提出成熟的铝合金MIG焊工艺将为铝合金在船舶建造上的应用提供有力的保证。


搅拌摩擦焊

    近十几年得到迅速发展的新型焊接方法——搅拌摩擦焊,具有一系列其它焊接方法无法比拟的优点,引起了人们的广泛关注。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)于1991年提出的一种固态塑化连接方法。其焊接过程是由一个圆柱体形状的搅拌头(Welding Pin)伸入工件的接缝处,通过搅拌头的高速旋转使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位材料的温度升高软化,同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。

    与传统熔化焊技术相比,FSW所得接头具有晶粒细小、疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好等优点;FSW焊接过程无飞溅、无烟尘、无气孔,不需添加焊丝和保护气体,是一种清洁加工制造技术。由于接头部位不存在金属的熔化过程,故不存在熔焊时的各种缺陷,焊缝成形较好。同时由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变化过程,FSW焊后接头的内应力小、变形小。与普通摩擦焊相比,FSW不受轴类零件的限制,可用于板结构的焊接。尤其值得指出的是,搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点。此外,FSW焊接时没有严重的电磁干扰,对于批量生产,不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理,使用非损耗的搅拌头,一个典型的搅拌头可用来焊接长达1000 m的6000系列铝合金。

    迄今为止,挪威大约有25%的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊制造,在船舶总体制造成本上增加大约5%利润。采用搅拌摩擦焊可以使船舶制造的装配更精确、简易且节省时间,从而使船舶建造由零件的制造装配变为船舶甲板以及壳体预成型结构件的装配。搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成型结构件上的应用,在外观、重量、性能、成本以及制造时间等方面具有明显的优越性,不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造,也可以用于现场装配,为现代船舶制造提供了新的连接方法。搅拌摩擦焊代替熔焊用于轻合金结构件的制造是现代焊接方法发展的又一次飞跃。


激光焊

    激光焊接技术具有热输入量集中、工件变形小、焊接速度快、加工质量好等一系列优点,在造船工业中采用激光制造技术必将缩短船舶建造周期,提高与稳定船舶制造质量,因此探索激光焊接技术在全铝结构船舶制造中的应用具有重要的意义。随着激光器输出功率、光束质量的不断发展,利用激光焊接船用铝合金中厚板(4.0~8.0mm)已成为可能,为激光技术在造船业中的应用开拓了新的领域。

    采用CO2激光器对5083铝合金进行焊接过程中,5083合金的焊缝成形受焊接条件、激光参数以及保护气体成分等条件影响很大,主要表现在成形质量上。在穿透焊情况下,激光焊接过程稳定性差,原因可能是小孔内瞬时受力不平衡造成了等离子体的周期性波动,造成了表面孔洞等缺陷。表明:采用CO2激光填丝焊接方法,实现了6mm厚度5083船用铝合金T形构件的角焊缝焊接;激光束入射角度、作用位置及焊接速度与送丝速度的匹配对T形构件角焊缝成形影响重大,在优化参数下,对6mm厚的板材进行焊接,能够得到满意的焊缝成形。焊缝气孔是铝合金T形接头激光焊接存在的主要问题,由T 形接头焊接过程中小孔和熔池的特殊受力状态及两板间的间隙引起。


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