鋁合金船艇制造的要點(diǎn)和工法

陳 鋒

（臺州市五洲船業(yè)有限公司，浙江臺州，郵編318016）

0 引言

鋁合金材料因其重量輕、高強(qiáng)度滿足了高速船艇建造的要求，采用該材料建造的船艇自身重量輕，載重量大，且船艇自身所消耗的占載功率少，航速快，因此在高速船艇建造中被普遍采用。

該類產(chǎn)品由于不同于普通的鋼質(zhì)船艇制造，材料成本高；特別是焊接、切割設(shè)備購置費(fèi)用較大，對工藝材料有特殊要求。同時加工方法較原始，很多為純手工操作，因此在專業(yè)人員培訓(xùn)、設(shè)備購置、場地投入等方面均需耗費(fèi)較大的人力、財力；成本較一般鋼質(zhì)船舶制造要高。

由于材料的特殊性和其導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻速度等因素的影響，對施工環(huán)境溫度有一定的要求。該類制造企業(yè)在地域上分散度高，南方多，北方少。隨著造船技術(shù)的成熟，制造工藝上有所提升，施工方法上有所改進(jìn)；但由于制作工藝復(fù)雜，加工困難，板薄變形大，不允許重復(fù)火工、重復(fù)焊接等工藝特性，生產(chǎn)企業(yè)大多保留有各自獨(dú)特的施工方法。由于產(chǎn)品特性的制約，該類船艇制造在生產(chǎn)工藝、設(shè)備加工、施工方法上，從工法運(yùn)用和作業(yè)習(xí)慣上，船企之間還有相互交流的需求。通過交流，在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)進(jìn)度、縮短建造周期等方面將會有進(jìn)一步的提升。

1 設(shè)備、工具、場地的準(zhǔn)備

鋁合金材料的特性：鋁合金材料的物理性能較普通材料區(qū)別較大，溶點(diǎn)為658℃，導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下鋁熔合區(qū)的冷卻速度為鋼的4-7倍，熱溶比鋼大兩倍，線膨脹系數(shù)為鋼的一倍。因鋁合金的材質(zhì)性能特性，加工有特殊要求，通常情況下選擇用冷加工的方法；較多的運(yùn)用機(jī)床設(shè)備進(jìn)行工件的加工，曲面工件多以壓模初加工后再以手工敲打成型，以達(dá)到所需部件的要求。

1.1 設(shè)備的選用

下料加工設(shè)備一般選用等離子切割機(jī)、剪板機(jī)、折彎機(jī)、油壓機(jī)、洗床、鏜床等。

焊接設(shè)備：氬孤焊機(jī)（自動焊、半自動焊、手工焊）、壓板機(jī)。在生產(chǎn)過程中通常會有薄板，即6mm以下的板材需要拼接。因鋁合金板材受熱變形大，在焊接時內(nèi)應(yīng)力無處釋放，板材經(jīng)高溫焊接后變形，容易形成荷葉邊高低不平、修正困難，一旦一次焊接不成功將導(dǎo)致該焊縫因變形而報廢。在自動焊拼板作業(yè)時，一般使用壓板機(jī)將焊縫兩邊壓住，壓力大于變形的力，從而減少變形和熱的傳遞；減少焊接時不可控情況發(fā)生。鋁合金拼板焊接的熱收縮率最高可以達(dá)到0.12%，在拼接板材時要注意放余量，避免工件的報廢。

1.2 工裝、工具的配備

施工作業(yè)離不開工作平臺，平臺一般分為加工平臺、焊接平臺及拼板自動焊平臺。各類平臺需使用時效兩年以上的鑄鋼件平板方能滿足要求。

1）焊接平臺要求：自動焊平臺一般用十余張鋼制的（鑄鋼件）平板鋪墊而成，形成一焊接平臺，焊接平臺一定要平整、水平，要保證焊接的板材均勻的貼合在平臺面上，若因壓板或壓力架不夠力量、平臺不平整等原因，往往會造成施焊過程中焊接的板材出現(xiàn)擊穿，錯縫等現(xiàn)象發(fā)生。

2）手工焊平臺一般用 1～2張平板鋪成，焊接時由于鋼平臺厚，熱傳導(dǎo)變形幾乎沒有影響，不會因?yàn)榈撞科脚_的變形而造成所制作工件的變形，從而造成工件的超差。

3）加工的工具：木榔頭、鋁榔頭、橡膠榔頭。

4）切割工具：等離子切割機(jī)，電動鋸、電動曲線鋸、電刨、鈚鏟槍等電動、氣動、手工工具。

1.3 胎架場地

船體或上建制作時需搭設(shè)鋼制的胎架，胎架制作需嚴(yán)格按照施工工藝焊實(shí)，確保其穩(wěn)定性及線形的準(zhǔn)確性，胎架應(yīng)該制作模板并逐一檢查。船體一般采用正造法，上建一般采用反造法。無論正造、反造的胎架，都需要用樣板嚴(yán)格檢驗(yàn)。胎架上部鋁質(zhì)模齒需與船體底部焊接，拉牢船底板防止變形；也可采用肋骨型胎架，鋪板后鉆孔將其與胎架平面緊緊的貼合減少變形的產(chǎn)生。上述二者的區(qū)別在于：板材厚的建造方法通常選用胎架模齒建造法，板材薄的上層建筑制造通常采用胎架肋骨連接法。

2 下料和加工

下料設(shè)備通常采用數(shù)控切割方式對拼板材料、縱珩缺口、零件等批量下料。補(bǔ)充下料方式也有很多，如龍門剪剪板機(jī)，有線型部分使用手工等離子切割機(jī)。曲面下料一般使用曲線鋸、折臂洗床、刨床等加工設(shè)備。

工裝模具的加工：鋁合金船艇生產(chǎn)由于其材料的特殊性，加工方法與鋼材加工有很大的區(qū)別，特別是一些手工模具的制作非常耗費(fèi)人工與材料，往往生產(chǎn)一個工件制作模具是生產(chǎn)該工件人工的一倍以上。一般情況下特殊線形位置需要制作手工模型，材料經(jīng)初壓成型后需手工修正，如包板、孤型板、雙曲面板；特制的型材加工、舾裝件制作等都需要制作專用的模具，加工方式有冷加工（不帶火）、火加工等。

3 焊接成型、設(shè)備類型工藝參數(shù)施工要點(diǎn)

鋁合金焊接設(shè)備從其性能及施工的方法上通常選擇自動焊、半自動焊、手工焊等焊接模式，從而有效的利用各種不同的焊接模式相互補(bǔ)充，達(dá)到全方位焊接的目的。自動焊與手工焊一般采用鎢極焊（TlC），其參考工藝參數(shù)如表1所示。也有采用半自動焊進(jìn)行拼板處理的，但半自動焊拼板因焊渣飛濺較多處理困難，通常較少采用。半自動焊一般采取的是MlG焊接，其參考工藝參數(shù)如表2所示。焊接設(shè)備多選擇美國（米格、林肯）、芬蘭的肯比、以色列、挪威的一些焊接設(shè)備。現(xiàn)在國內(nèi)的鎢極焊機(jī)、半自動焊線機(jī)等很多產(chǎn)品質(zhì)量也穩(wěn)定，配件、消耗品價格也合理，焊接成型較好，船體施焊后的變形小，也是很好的選擇。

焊接工藝參數(shù)對照表：

表1 手工鎢極氬孤焊焊接參考工藝參數(shù)

表2 熔化極半自動焊焊接參考工藝參數(shù)

表3 熔化極自動氬孤焊接參考工藝參數(shù)

氬弧焊的操作要點(diǎn)：

1）采用小電流施焊，減小熔池過熱，可改善抗裂性，增大焊速，提高電流都不利于抗裂。

2）幾種不同的設(shè)備焊接功用各不相同，通常做法是自動焊主要是對長板縫拼板。鑒于鋁合金材料的特殊性能，焊接完的板材需要進(jìn)行手工較正，使用木榔頭敲擊以釋放內(nèi)應(yīng)力，也可將拼接好的板材上滾床釋放內(nèi)應(yīng)力。

3）TlG手工焊接的重要作用是一些鋁合金舾裝件制作，雷達(dá)桅、上建兩側(cè)轉(zhuǎn)圓、兩側(cè)的包角、焊接死角、雙曲面的孤線部分都需要手工焊接。

4）半自動焊主要是針對結(jié)構(gòu)焊接如T型材肋板的組合、大型舾裝件加強(qiáng)材、上建扶強(qiáng)材、分段之間的合攏、上建與主甲板的連接等部位的施焊。

焊接施工工法和注意事項(xiàng)：

1）使用自動焊拼板時注意鎢棒盡量磨尖，保持清潔，避免結(jié)碳后還在使用。

2）氬氣純度要高一般需達(dá)到99.99%的純度。

3）運(yùn)行前自動焊行走小車調(diào)試要注意檢查行走速度、送絲速度、電流、電壓、孤壓、氬氣流量、冷卻水暢通等。

4）半自動焊在操作前應(yīng)認(rèn)真檢查焊槍中的送絲管、導(dǎo)電嘴、送絲輪，發(fā)現(xiàn)磨損的配件要及時更換；檢查主機(jī)上的送絲速度與送絲機(jī)構(gòu)及槍上的速度是否吻合，同時檢查槍上的電纜管、氬氣管、送絲管、冷卻管要保持順暢，不能打結(jié)。

5）半自動焊接操作的口訣：刷子隨身帶，焊前清潔好，規(guī)范及時調(diào)，配比很重要。

6）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)電壓的影響：在進(jìn)行氬孤焊接作業(yè)時往往會出現(xiàn)焊接成型不好，或拼扳時自動焊成型不好，有斷斷續(xù)續(xù)的情況，而設(shè)備均處在良好的狀態(tài)，這時就要檢查網(wǎng)絡(luò)電壓是否在正常范圍內(nèi)，或增添穩(wěn)壓電源保證電流、電壓的穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)電壓不穩(wěn)會造成熄孤、擊穿、焊瘤過大等問題。

7）盡量減少手工焊，減少十字焊縫接頭，利用板材最寬處施焊。

8）若建造的是鋁合金上層建筑，在與船體鋼板連接時會采用復(fù)合材料對上建與船體進(jìn)行連接焊接，此時要加大電流，按規(guī)范調(diào)整好電流孤壓，在試板上試焊后方可直接對船體裝焊。

9）對上層建筑的扶強(qiáng)材焊接，因工藝要求每隔75mm間斷施焊，一定要按標(biāo)準(zhǔn)加工間隔模板，劃好線后作業(yè)。同時盡量將焊槍角度偏扶強(qiáng)材多三分之一，如此焊接成型的片體，瘦馬小且均勻，符合外觀平整美觀的要求。

10）焊前清潔是保證焊接質(zhì)量的重要步驟，一般情況下鋁合金板材出庫前均有一層紙質(zhì)保護(hù)，目的是為了防止油污及其它污漬將材料弄臟，防止損傷材料，遇到用油保養(yǎng)過的板材，除了清洗掉保養(yǎng)油（可以用鋸沫擦拭，或采用酸洗方法去除油污），焊接前尚需將板材需要裝焊處的氧化皮用刮刀或砂輪機(jī)去除，同時焊后清潔也很重要及時處理可抗氧化。

4 提高工效的重要步驟

1）需施焊接處部位的氧化皮處理可以用風(fēng)動砂輪機(jī)配鋼絲刷進(jìn)行打磨去除；在拼板焊接前的剖口可以上刨床或用電刨開斜口，電刨開的剖口能滿足不同角度的剖口需要；反面清根通常采用碳刨的方式，現(xiàn)對需清根的部位可采取電動圓盤鋸，將鋸齒切割深度調(diào)整好，沿焊縫一直理過去，工效快，無變型，很大程度上提高了工效，滿足進(jìn)度的要求，因其焊縫清根徹底，鋸口均勻鋁絲熔化成型好，焊接出來的焊縫成型好，無氣孔飛濺，滿足拍片的要求。

2）上胎架時將鋁板用螺栓固定在胎架平面上，脫胎架后的固定孔洞較多，以前的工藝是用手工焊的方式將洞孔補(bǔ)完，所耗時間長，后經(jīng)實(shí)踐中摸索用半自動焊補(bǔ)洞，調(diào)整好電流、孤壓施焊補(bǔ)孔取得很好效果，工效提高數(shù)倍。

3）火工較正是補(bǔ)償生產(chǎn)過程中的缺陷，增加船艇美觀度的工藝方法。

火工處理也是最后一道生產(chǎn)工序，因全船焊接后的應(yīng)力得不到有效的釋放，船體上建部分區(qū)域變形較大，門窗開孔后應(yīng)力有部分釋放，但仍然有局部的地方凹凸不平，這就需要伏火的方法進(jìn)行處理，

伏火的目的是為了利用熱能擴(kuò)散內(nèi)部的應(yīng)力，配以水冷卻，從而將變形引入局部區(qū)域或者消除；結(jié)構(gòu)薄弱的地方不平度大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)的地方略好一些，縮火配套用木榔頭、橡膠榔頭、局部需要用鋁質(zhì)榔頭。

由于鋁合金建造的特殊性，其溶點(diǎn)只有 600℃多，火工難度在于全手工操作，在于施工者各人對鋁合金板材的認(rèn)識，對火焰感知和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)累，一般情況下只能將溫度控制在250～300℃，過低解決不了變形的問題，過高會造成板材損壞，過燒的鋁合金板材會成粉沬狀，一敲擊就粉碎；對一個部位重復(fù)地做火工，板材會出現(xiàn)裂縫，這些問題就需要換板解決。

火工的方法通常采用線狀法燒肋骨收縮外板，井狀法，圈狀法、梅花狀法等工藝方法。

4）船艇外板美容處理是增加船艇最終效果的工藝方法。鋁合金船艇美容的方法最早來自汽車、玻璃鋼船艇。因鋁合金的熱溶比高，導(dǎo)熱性能高，在各工種作業(yè)后雖經(jīng)過火工作業(yè)修復(fù)，但由于火工作業(yè)過程中榔頭的敲擊、焊接的瘦馬、手工加工的工件如雙曲面、圓型工件都會有不平整、不光滑處，只有經(jīng)過細(xì)致的處理船艇才會有較好的外觀，通常使用汽車油漆處理的原子灰刮補(bǔ)，該材料可承受+80℃至-30℃的溫度變化。美容的方法又是對火工不足的彌補(bǔ)，從而保證產(chǎn)品外觀質(zhì)量平直美觀。

施工時在第一度底漆涂上后用刮板帶灰找平，分多次批刮打磨，再批刮打磨，切記不可一次刮的太厚，過厚容易起殼脫落。

5 結(jié)束語

鋁合金船艇制作重在工藝規(guī)范的執(zhí)行，嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝施工是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要前提，工法創(chuàng)新是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。一支高素質(zhì)的焊工隊伍、嚴(yán)格按照焊接工藝、先后順序施焊是最終產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)的基本要求。

[1]樓松年.船用鋁及其合金的焊接[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社.2011.

[2]鋁及鋁合金焊接施工工藝標(biāo)準(zhǔn) QB-CNCEC J22103-2006[S].2006.