船舶上層建筑鋁合金分段焊接質量控制要點

高智慧，仇鳳平，鄭向宇，龔 容，張韶華

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

鋁合金具有密度小、無磁性、可焊接性好、加工成型性好、耐腐蝕性好和成本低等特點，不僅可作為板材，而且可進行擠壓成型，加工為型材及帶筋板。14 400 t系列船的上層建筑設計為鋁合金結構，由于其材質和特性與鋼質不同，因此需要研究相應的焊接工藝，以確保鋁合金分段的焊接質量。

1 材料選用

1.1 板 材

板材采用防銹鋁5×××(Al-Mg)系列的5083，供貨狀態為H116，主要采用固溶處理及加工硬化的方式強化，屬于非熱處理強化鋁合金。其主要合金成分為鎂，鎂的質量分數為4.0%～4.9%，在合金中加入少量的錳和鈦等其他元素，合金中的雜質主要為鐵、銅及鋅等。增加合金元素可提高硬度、抗拉強度和屈服強度，降低延伸率和斷面收縮率，在非熱處理合金中具有良好的強度、耐腐蝕性、可焊接性及可切削性，因此5083-H116鋁合金廣泛用于船舶[1]。

1.2 型 材

型材采用熱處理強化鋁合金6×××(Al-Mg-Si)系列的6082，供貨狀態為T6。經固溶處理后進行人工時效處理，不再進行冷加工，但可進行矯直和矯平。主要合金成分為鎂-硅，鎂的質量分數為0.6%～1.2%，硅的質量分數為0.7%～1.3%。型材分為2類：擠壓帶筋板和擠壓型材。擠壓帶筋板(見圖1)采用長而寬的構架間距為250 mm的3+IP40×3 000 mm×12 000 mm(3表示帶筋板厚度為3 mm，IP40表示帶筋板的筋即雙頭球鋁高度為40 mm，含義下同)和構架間距為380 mm的4+IP60×3 040 mm×12 000 mm，可大幅減少焊縫數量，在較大程度上避免對焊接質量的不利影響。擠壓型材采用IP40×6 000 mm和IP80×6 000 mm等。這些合金具有良好的鍛造性能，其成型加工性、可焊接性和耐腐蝕性較好，陽極氧化效果優良。

圖1 擠壓帶筋板

2 焊接難點

鋁合金的熱導率和比熱容比鋼大較多，在焊接過程中大量的熱量被迅速傳導至鋁合金母材內部。鋁在空氣中較易與氧結合生成難熔的、高熔點的氧化膜，在焊接過程中氧化膜會阻礙金屬之間的良好結合，并易形成夾渣。鋁合金在達到高于其熔點的一定溫度時，較易吸氫，其液態熔解度比固態熔解度高出較多，在焊縫凝固時大量氫析出。由于鋁合金散熱快、凝固快，因此氫較易滯留在焊縫金屬中形成氣孔。鋁合金線膨脹系數為鋼的2倍，凝固時的體積收縮率較大，往往由于過大的內應力而產生熱裂紋。鋁合金在由固態轉變為液態時無明顯的顏色變化，不易判斷母材溫度，在施焊時經常由于溫度過高無法察覺而造成焊穿[2]。

3 焊接質量控制

3.1 焊接方法

由于鋁的熱導率高，因此在焊接時必須采用能量集中、功率大的熱源。目前，熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert Gas Welding，MIG焊)和鎢極惰性氣體保護焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG焊)是應用較多的焊接方法，特別是MIG焊，已被公認為是一種高效率和高質量的焊接方法[3]。MIG焊：焊絲選用ER5183，直徑為1.2 mm；保護氣體為純度99.99%的氬氣；采用全數字脈沖MIG焊/MAG焊焊機。TIG焊：焊絲選用ER5183，直徑為2.4 mm和3.2 mm；鈰鎢電極，直徑為2.4 mm和3.2 mm；保護氣體為純度99.99%的氬氣；采用雙逆變控制交直流TIG焊焊機。

MIG焊能量集中、功率大，可有效補償由鋁的高熱導率造成的熱量損失；可實現半自動和全自動焊接，焊絲送進連續自動，表面無熔渣；焊接速度快、變形小，可實現各種位置焊接，靈活性強。選用ER5183焊絲，不僅可有效減少或避免熱裂紋生成，而且可保證焊縫強度要求。采用純度為99.99%的氬氣保護，不僅可使熔滴過渡較穩定，熱輸入量較小，減少熱裂紋傾向，而且可保證無飛濺或最小飛濺，其密度大于空氣，保護效果較好，可大幅減少氣孔生成。采用雙脈沖過渡電弧MIG焊，實現非短路過渡，熔滴均勻且大小可調，焊縫具有良好的抗氣孔性能和耐腐蝕性能，焊接變形小，熱影響區小，焊縫強度高[4]。

采用雙脈沖過渡電弧，在焊接過程中通過調整低頻脈沖的頻率和低頻脈沖峰值與基值的電流改善焊縫成型。焊縫魚鱗紋如圖2所示。低頻脈沖頻率低，雙脈沖峰值電流和基值電流切換速度慢，焊縫魚鱗紋間距大；反之，焊縫魚鱗紋間距小而細密。根據鋁合金板材厚度調節峰值電流和基值電流可取得相應的熔深，在峰值電流和基值電流相互切換過程中有效攪動熔池，排出氫以減少氣孔，減少對母材的熱輸入，防止鋁合金材料過熱產生膨脹變形，使焊縫組織顆粒細密，提高焊縫強度。在施焊過程中，焊接人員應嚴格按焊接工藝參數操作以保證焊接質量。焊接工藝參數如表1～表3所示，其中：DCEP(Direct Current Electrode Positive)為直流反接。

表1 5083鋁合金板材MIG焊焊接工藝參數

表2 6082鋁合金擠壓帶筋板和擠壓型材MIG焊焊接工藝參數

表3 MIG焊多道焊焊接工藝參數

圖2 焊縫魚鱗紋

定位焊是為裝配和固定構件而進行的一種焊接，在定位焊的表面需要進行主焊道施焊，因此保證定位焊的質量同樣重要[5]。鋁的線膨脹系數大、導熱速度快，定位焊較鋼件應密一些，其焊接參數如表4所示。為保證焊縫強度，定位焊采用與主焊縫相同的焊絲ER5183。

表4 定位焊焊接參數 mm

在主焊縫焊接前，需要在定位焊焊縫引、熄弧處進行整修或在可能時清除定位焊。在薄板或不厚的中厚板對接焊時，由于鋁合金熔化狀態的表面張力小，較易下塌，因此在主焊縫焊接前，在對接縫的背面一般需要安裝不銹鋼襯條(盡可能不用紫銅襯墊，焊縫夾銅易產生裂紋)。在條件允許的情況下，拼板(包括帶筋板)對接焊需要采用工件夾和壓鐵等將待焊工件夾緊和壓牢，采用自動焊小車進行焊接。立對接焊選用真空吸盤軌道自動焊小車進行焊接。橫對接焊先焊接結構面，再在反面進行清根，最后焊接非結構面。鋁型材雙頭球鋁焊接可采用不銹鋼襯墊，先焊接腹板正面，反面清根，再焊接腹板反面，最后焊接球頭位置。對接雙面焊在單面堆滿后，反面根部不允許碳刨，只可使用清根機和角磨機等機械加工工具進行清根處理，再進行反面焊接。

3.2 焊前清潔

為避免焊絲和焊道表面的氧化物、油污、水、殘存熔劑和焊渣等對焊縫質量造成不利影響，必須對焊絲和焊道進行嚴格清潔，并加強焊接區域的保護。鋁合金材料的清潔方法與鋼質不同。為避免鐵分子對鋁合金的腐蝕，施工場地必須與鋼質分段制作場地隔離，車間應清潔少塵。采用風動不銹鋼絲刷清除母材表面氧化鋁、漆、塵和切割殘渣等，選用熱空氣烘干水分，采用低速角磨機或清根機對定位焊及坡口進行清根，采用丙酮擦去油污。已清潔的焊接區域和焊絲應注意保護，不可用手觸摸；若被污染，再用丙酮清洗，焊工應戴干凈手套操作。MIG焊清潔后的焊縫必須在4 h內焊接完畢，否則新的氧化膜生成，若超過時間必須重新清潔。TIG焊可在清潔后的24 h內焊接完畢。

3.3 焊接順序

合理的焊接順序可減小焊接內應力和變形。在結構設計階段應結合構件的可焊接性、最小焊接變形與內應力及最佳經濟性等方面，制訂合理的焊接順序，并貫穿整個生產制造過程。在焊接時，應盡可能減小熱輸入量和填充金屬，應盡可能使單一構件可自由伸縮，由中間向兩側對稱焊接，先焊接對接焊縫后焊接角焊縫，先焊接短焊縫后焊接長焊縫，先焊接縱焊縫后焊接環焊縫，先焊接拉應力區后焊接剪應力區和壓應力區，構件鋼性最大的部位最后焊接，以最大限度地減小焊接變形和內應力。在對變形具有較高要求時，半自動焊接可采用分段退焊法。以工字鋼型材組裝為例，其焊接順序如圖3所示：①下翼板對接縫；②上翼板對接縫；③腹板對接縫；④下翼板角接縫；⑤下翼板角接縫，對稱施焊；⑥上翼板角接縫；⑦上翼板角接縫，對稱施焊。

圖3 工字鋼型材組裝焊接順序

3.4 無損檢測

鋁合金焊縫質量檢測通常采用射線探傷(Radiographic Testing，RT)、超聲波探傷(Ultrasonic Testing，UT)及滲透探傷(Penetrant Testing，PT)探測鋁合金內部及表面缺陷，從而保證鋁合金結構焊縫質量的可靠性[6]。上層建筑鋁合金分段重要部位焊縫采用RT和UT方法進行檢測，一般部位焊縫采用UT和PT方法進行檢測。氣孔、裂紋、夾渣、未熔合等缺陷必須進行焊縫修補，采用清根機將焊縫內部及表面缺陷清除，開相應坡口，采用堆焊處理。若遇燒穿，應先補焊焊縫正面，反面清根，再補焊焊縫反面；補焊完成，經再次探傷確認，修整焊縫形狀，表面需要打磨光順。同一部位返修次數不得超過3次。

3.5 注意事項

從事上層建筑鋁合金分段建造的加工人員、裝配工、電焊工、打磨工、無損檢測人員和管理人員等均須經專門培訓和考試合格，經相關船級社認可方可持證上崗；施工場地、加工設備和吊運料架等均須涂油漆，以減少或避免腐蝕；應注意環境溫度和濕度影響，在必要時應采取相應預熱措施或停工操作；焊接過程層間溫度不可超過60 ℃，避免燒穿，避免降低焊縫強度和韌性，減小焊接變形。

4 結 語

通過14 400 t系列船的實船應用，不斷對上層建筑鋁合金分段焊接工藝摸索、研究、總結和優化，使焊接質量逐步提高，鋁合金焊縫一級品率達99%以上，重要部位二級品率達100%，得到船舶所有人高度認可。所進行的研究與實踐可為今后鋁合金的選材和焊接質量控制提供參考，并在此基礎上不斷優化新的鋁合金焊接技術，根據具體情況選擇相應的鋁合金材料和焊接方法，更好地應用鋁合金，使其在工業領域發揮更大作用。