船舶上层建筑铝合金分段焊接质量控制要点

高智慧，仇凤平，郑向宇，龚 容，张韶华

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

0 引 言

铝合金具有密度小、无磁性、可焊接性好、加工成型性好、耐腐蚀性好和成本低等特点，不仅可作为板材，而且可进行挤压成型，加工为型材及带筋板。14 400 t系列船的上层建筑设计为铝合金结构，由于其材质和特性与钢质不同，因此需要研究相应的焊接工艺，以确保铝合金分段的焊接质量。

1 材料选用

1.1 板 材

板材采用防锈铝5×××(Al-Mg)系列的5083，供货状态为H116，主要采用固溶处理及加工硬化的方式强化，属于非热处理强化铝合金。其主要合金成分为镁，镁的质量分数为4.0%～4.9%，在合金中加入少量的锰和钛等其他元素，合金中的杂质主要为铁、铜及锌等。增加合金元素可提高硬度、抗拉强度和屈服强度，降低延伸率和断面收缩率，在非热处理合金中具有良好的强度、耐腐蚀性、可焊接性及可切削性，因此5083-H116铝合金广泛用于船舶[1]。

1.2 型 材

型材采用热处理强化铝合金6×××(Al-Mg-Si)系列的6082，供货状态为T6。经固溶处理后进行人工时效处理，不再进行冷加工，但可进行矫直和矫平。主要合金成分为镁-硅，镁的质量分数为0.6%～1.2%，硅的质量分数为0.7%～1.3%。型材分为2类：挤压带筋板和挤压型材。挤压带筋板(见图1)采用长而宽的构架间距为250 mm的3+IP40×3 000 mm×12 000 mm(3表示带筋板厚度为3 mm，IP40表示带筋板的筋即双头球铝高度为40 mm，含义下同)和构架间距为380 mm的4+IP60×3 040 mm×12 000 mm，可大幅减少焊缝数量，在较大程度上避免对焊接质量的不利影响。挤压型材采用IP40×6 000 mm和IP80×6 000 mm等。这些合金具有良好的锻造性能，其成型加工性、可焊接性和耐腐蚀性较好，阳极氧化效果优良。

图1 挤压带筋板

2 焊接难点

铝合金的热导率和比热容比钢大较多，在焊接过程中大量的热量被迅速传导至铝合金母材内部。铝在空气中较易与氧结合生成难熔的、高熔点的氧化膜，在焊接过程中氧化膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。铝合金在达到高于其熔点的一定温度时，较易吸氢，其液态熔解度比固态熔解度高出较多，在焊缝凝固时大量氢析出。由于铝合金散热快、凝固快，因此氢较易滞留在焊缝金属中形成气孔。铝合金线膨胀系数为钢的2倍，凝固时的体积收缩率较大，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。铝合金在由固态转变为液态时无明显的颜色变化，不易判断母材温度，在施焊时经常由于温度过高无法察觉而造成焊穿[2]。

3 焊接质量控制

3.1 焊接方法

由于铝的热导率高，因此在焊接时必须采用能量集中、功率大的热源。目前，熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert Gas Welding，MIG焊)和钨极惰性气体保护焊(Tungsten Inert Gas Welding，TIG焊)是应用较多的焊接方法，特别是MIG焊，已被公认为是一种高效率和高质量的焊接方法[3]。MIG焊：焊丝选用ER5183，直径为1.2 mm；保护气体为纯度99.99%的氩气；采用全数字脉冲MIG焊/MAG焊焊机。TIG焊：焊丝选用ER5183，直径为2.4 mm和3.2 mm；铈钨电极，直径为2.4 mm和3.2 mm；保护气体为纯度99.99%的氩气；采用双逆变控制交直流TIG焊焊机。

MIG焊能量集中、功率大，可有效补偿由铝的高热导率造成的热量损失；可实现半自动和全自动焊接，焊丝送进连续自动，表面无熔渣；焊接速度快、变形小，可实现各种位置焊接，灵活性强。选用ER5183焊丝，不仅可有效减少或避免热裂纹生成，而且可保证焊缝强度要求。采用纯度为99.99%的氩气保护，不仅可使熔滴过渡较稳定，热输入量较小，减少热裂纹倾向，而且可保证无飞溅或最小飞溅，其密度大于空气，保护效果较好，可大幅减少气孔生成。采用双脉冲过渡电弧MIG焊，实现非短路过渡，熔滴均匀且大小可调，焊缝具有良好的抗气孔性能和耐腐蚀性能，焊接变形小，热影响区小，焊缝强度高[4]。

采用双脉冲过渡电弧，在焊接过程中通过调整低频脉冲的频率和低频脉冲峰值与基值的电流改善焊缝成型。焊缝鱼鳞纹如图2所示。低频脉冲频率低，双脉冲峰值电流和基值电流切换速度慢，焊缝鱼鳞纹间距大；反之，焊缝鱼鳞纹间距小而细密。根据铝合金板材厚度调节峰值电流和基值电流可取得相应的熔深，在峰值电流和基值电流相互切换过程中有效搅动熔池，排出氢以减少气孔，减少对母材的热输入，防止铝合金材料过热产生膨胀变形，使焊缝组织颗粒细密，提高焊缝强度。在施焊过程中，焊接人员应严格按焊接工艺参数操作以保证焊接质量。焊接工艺参数如表1～表3所示，其中：DCEP(Direct Current Electrode Positive)为直流反接。

表1 5083铝合金板材MIG焊焊接工艺参数

表2 6082铝合金挤压带筋板和挤压型材MIG焊焊接工艺参数

表3 MIG焊多道焊焊接工艺参数

图2 焊缝鱼鳞纹

定位焊是为装配和固定构件而进行的一种焊接，在定位焊的表面需要进行主焊道施焊，因此保证定位焊的质量同样重要[5]。铝的线膨胀系数大、导热速度快，定位焊较钢件应密一些，其焊接参数如表4所示。为保证焊缝强度，定位焊采用与主焊缝相同的焊丝ER5183。

表4 定位焊焊接参数 mm

在主焊缝焊接前，需要在定位焊焊缝引、熄弧处进行整修或在可能时清除定位焊。在薄板或不厚的中厚板对接焊时，由于铝合金熔化状态的表面张力小，较易下塌，因此在主焊缝焊接前，在对接缝的背面一般需要安装不锈钢衬条(尽可能不用紫铜衬垫，焊缝夹铜易产生裂纹)。在条件允许的情况下，拼板(包括带筋板)对接焊需要采用工件夹和压铁等将待焊工件夹紧和压牢，采用自动焊小车进行焊接。立对接焊选用真空吸盘轨道自动焊小车进行焊接。横对接焊先焊接结构面，再在反面进行清根，最后焊接非结构面。铝型材双头球铝焊接可采用不锈钢衬垫，先焊接腹板正面，反面清根，再焊接腹板反面，最后焊接球头位置。对接双面焊在单面堆满后，反面根部不允许碳刨，只可使用清根机和角磨机等机械加工工具进行清根处理，再进行反面焊接。

3.2 焊前清洁

为避免焊丝和焊道表面的氧化物、油污、水、残存熔剂和焊渣等对焊缝质量造成不利影响，必须对焊丝和焊道进行严格清洁，并加强焊接区域的保护。铝合金材料的清洁方法与钢质不同。为避免铁分子对铝合金的腐蚀，施工场地必须与钢质分段制作场地隔离，车间应清洁少尘。采用风动不锈钢丝刷清除母材表面氧化铝、漆、尘和切割残渣等，选用热空气烘干水分，采用低速角磨机或清根机对定位焊及坡口进行清根，采用丙酮擦去油污。已清洁的焊接区域和焊丝应注意保护，不可用手触摸；若被污染，再用丙酮清洗，焊工应戴干净手套操作。MIG焊清洁后的焊缝必须在4 h内焊接完毕，否则新的氧化膜生成，若超过时间必须重新清洁。TIG焊可在清洁后的24 h内焊接完毕。

3.3 焊接顺序

合理的焊接顺序可减小焊接内应力和变形。在结构设计阶段应结合构件的可焊接性、最小焊接变形与内应力及最佳经济性等方面，制订合理的焊接顺序，并贯穿整个生产制造过程。在焊接时，应尽可能减小热输入量和填充金属，应尽可能使单一构件可自由伸缩，由中间向两侧对称焊接，先焊接对接焊缝后焊接角焊缝，先焊接短焊缝后焊接长焊缝，先焊接纵焊缝后焊接环焊缝，先焊接拉应力区后焊接剪应力区和压应力区，构件钢性最大的部位最后焊接，以最大限度地减小焊接变形和内应力。在对变形具有较高要求时，半自动焊接可采用分段退焊法。以工字钢型材组装为例，其焊接顺序如图3所示：①下翼板对接缝；②上翼板对接缝；③腹板对接缝；④下翼板角接缝；⑤下翼板角接缝，对称施焊；⑥上翼板角接缝；⑦上翼板角接缝，对称施焊。

图3 工字钢型材组装焊接顺序

3.4 无损检测

铝合金焊缝质量检测通常采用射线探伤(Radiographic Testing，RT)、超声波探伤(Ultrasonic Testing，UT)及渗透探伤(Penetrant Testing，PT)探测铝合金内部及表面缺陷，从而保证铝合金结构焊缝质量的可靠性[6]。上层建筑铝合金分段重要部位焊缝采用RT和UT方法进行检测，一般部位焊缝采用UT和PT方法进行检测。气孔、裂纹、夹渣、未熔合等缺陷必须进行焊缝修补，采用清根机将焊缝内部及表面缺陷清除，开相应坡口，采用堆焊处理。若遇烧穿，应先补焊焊缝正面，反面清根，再补焊焊缝反面；补焊完成，经再次探伤确认，修整焊缝形状，表面需要打磨光顺。同一部位返修次数不得超过3次。

3.5 注意事项

从事上层建筑铝合金分段建造的加工人员、装配工、电焊工、打磨工、无损检测人员和管理人员等均须经专门培训和考试合格，经相关船级社认可方可持证上岗；施工场地、加工设备和吊运料架等均须涂油漆，以减少或避免腐蚀；应注意环境温度和湿度影响，在必要时应采取相应预热措施或停工操作；焊接过程层间温度不可超过60 ℃，避免烧穿，避免降低焊缝强度和韧性，减小焊接变形。

4 结 语

通过14 400 t系列船的实船应用，不断对上层建筑铝合金分段焊接工艺摸索、研究、总结和优化，使焊接质量逐步提高，铝合金焊缝一级品率达99%以上，重要部位二级品率达100%，得到船舶所有人高度认可。所进行的研究与实践可为今后铝合金的选材和焊接质量控制提供参考，并在此基础上不断优化新的铝合金焊接技术，根据具体情况选择相应的铝合金材料和焊接方法，更好地应用铝合金，使其在工业领域发挥更大作用。