孟軼
摘 要：文章從鋁合金的物理特性和焊接特性入手，進而闡述鋁合金船舶建造過程中的焊接準備、焊接操作、焊接變形控制及變形矯正工藝，並根據高速船的設計目標探討鋁合金高速船舶的焊縫設計。
關鍵詞：鋁合金 焊接特性 變形控制 焊縫設計
引言
鋁元素在地球中的含量豐富位居第三位，僅次於氧和矽，是地殼中含量最豐富的金屬元素。迄今為止，在金屬品種中，鋁製品僅次於鐵，是我們使用的第二大類金屬。鋁及其合金因其耐腐蝕、較高的比強度、易加工、無磁性、無低溫轉變導電性及導熱性好等特點，因而在航空航天、汽車工業、機械製造、船舶工業、輕工業及化學工業等領域所大量應用。船舶領域由於鋁合金的價格因素及強度因素，目前僅限於小型船舶例如：軍用快艇、公務船、高速船、車客渡船、遊艇等的使用。
鋁及其合金的物理及焊接特性
1、物理特性
常見的鋁及其合金為銀白色的輕金屬，鋁合金的命名一般採用國際四位數字體系牌號，船舶製造中主要使用的鋁合金屬於Al-Mg系的5083和6082。鋁及其合金與我們常見的鋼材在物理特性方面有很大差異（見表1）：
表1
2、焊接特性
鋁的易氧化性，低熔點，導熱迅速，線性膨脹係數大，高溫下強度低且形成低熔點共晶等特性，給焊接工作帶來很多困難：①鋁及其合金耐腐蝕的原因是基於其在空氣中易氧化而產生氧化膜Al2O3，這層緻密的氧化膜熔點高達2050℃，密度大於母材不易排出導致在焊接中產生未熔合或夾渣缺陷；②液態的鋁可以溶解大量的氫（0.69ml/100g），固態卻很少（0.036ml/100g），這樣的特性使得焊接過程由液態轉化為固態時，氫大量釋放無法析出時造成焊縫產生氣孔；③鋁的線性膨脹係數是鐵的一倍，收縮率是鐵的兩倍，直接導致鋁材焊接易產生構件變形；④鋁在高溫下強度很低，且鋁熔融後無明顯的顏色變化，焊接時容易焊穿而形成焊接缺陷。
鋁合金船的焊接及其準備
鋁合金的焊接方式一般分為如下幾大類：TIG焊（鎢極氬弧焊）、MIG焊（熔化極氬弧焊）、摩擦攪拌焊、爆炸焊等。目前我國鋁合金船舶製造行業中最常用的焊接方式為EPMIG焊，EPMIG焊特點是去膜和熔敷效率高，使用成本較低的氬氣做為保護氣體。
1、鋁合金的焊接準備
焊前處理。由於氧化膜的存在，焊前必須去除焊道內及坡口邊緣20mm內的氧化膜，通常採用不鏽鋼刷打磨方式，鋼絲輪應為打磨鋁材專用。打磨掉氧化膜後應儘快進行施焊作業，一般應在24小時內完成，如果時限內未能施焊，要在焊接區域貼上真空膜隔絕空氣進行保護，否則應重新進行去氧化膜處理。焊接前做好清潔工作，不允許水分、油脂、灰塵或其它污染物存在於焊接區域（必要時採取化學方法清潔）。
坡口的製備。根據板厚及焊接工藝的要求進行製備，確保焊接坡口角度和間隙尺寸是保證焊接質量的主要因素。板材端頭處應設置引弧板避免起熄弧在船體焊縫上。
作業環境。作業要求焊接區域溫度在5℃以上，濕度小於80%，風速不大於0.5m/s。當溫度較低或者濕度超標時，如仍需進行施焊作業，應採取預熱和除濕機除濕等方式改善作業環境。
2、鋁合金的焊接操作
在準備工作完成後，按照認可的焊接工藝調整好電流電壓及送絲速度，檢查保護氣體的種類及餘量，就可以開始施焊了。焊接過程中，一般採取左焊法，焊槍噴嘴下端與焊接構件距離掌握在8～15mm之間。
由於鋁材的導熱率高，對於厚度達到8mm以上的厚板對接，或者厚度達到16mm以上的結構角接，應進行焊前預熱，預熱溫度為50℃■10℃。為了排除氧氣乙炔火焰可能帶來的不利，預熱可以採用風筒熱風加熱方式。對於需要進行多道焊的厚板焊接，除了預熱外還要控制焊接過程中的層間溫度，一般控制在60℃以下。
鋁合金的焊接變形預防和變形矯正
焊接變形會產生構件的彎曲，引起整個結構失穩從而無法承載應力。由於鋁合金導熱快及線性膨脹係數高的特點，使得鋁合金的焊接變形控制比鋼材更難。
1、船舶製造廠常用的焊接變形控制方法
焊接的熱輸入量是引起變形的根本所在，減少熱輸入量即控制好焊接參數，滿足規範要求的前提下減小焊腳，採用間斷焊。
預留出反變形餘量，焊接結束後坡口一側焊縫冷卻收縮變形與預留餘量相互抵消，此種方法對焊工的經驗要求較高。
在焊接板材的長對接縫時，採用逐段退焊的方式減小變形量，一般每段焊接的長度不小於600mm，首尾重疊20mm，在下一段施焊前應銑掉上一段的起弧點。
控制焊接順序。先焊對接焊縫，再焊角接焊縫；從中央區域往四周施焊；先焊船體內側，再焊外側；先焊收縮量大的焊縫；對稱結構應該安排兩名焊工同時進行對稱工作。
2、焊後變形的矯正措施
水火矯正。鋁合金水火矯正要求對加熱溫度進行嚴格的控制，防止過熱造成構件的性能改變。火工的溫度一般控制在260℃ ～425℃的範圍內，或按照鋁合金製造廠的說明進行。由於5000系的鋁合金在65℃ ～200℃溫度區間內會降低其耐腐蝕性能，所以火工過程中加熱應迅速，採用水冷快速冷卻，不宜在空氣中時效冷卻。
焊接矯正。骨材與板材角接後焊縫冷卻收縮，造成板材彎曲，此矯正法是在背向骨材的板材表面開槽後燒焊帶來反變形對構件進行校正，矯正結束後再磨平焊縫。
冷加工矯正。採用校平機、折彎機等機加工設備進行矯正，只適用於簡單的板材或型材的矯平，5000系的鋁合金冷加工矯正應在52°以下進行。
鋁合金高速船的焊縫設計
鋁合金高速船製造上一個最重要的目標就是達到設計航速。為了達到上述目標，在同樣的船體線型和同等的主機功率下，空船重量越輕意味著船舶的航速越快油耗越低，鋁合金的密度只有鋼材的1/3，這能極大的減輕空船重量，這個特點使得鋁合金非常適合作為建造高速船的材料。
除了在建造中對上船材料的重量進行嚴格控制外，鋁合金船舶在焊接設計上及儘可能的採用間斷焊，不僅可以減輕空船重量，還能控制焊接變形。但由於間斷焊不適用於高應力或特殊區域，因此還應注意到下列焊縫設計要求：
1、高速船建造規範要求
船級社規範對高速船焊縫的設計要求：①規範要求雙面連續焊的連接焊縫如下：中桁材與平板龍骨、機器基座與支撐結構、油密水密結構周界、舵機處所有結構、處於衝擊區域內的底部和首部結構、扶強材、支柱、橫撐材和桁材的支承及端部、螺旋槳上方處，至少為螺旋槳直徑的1.5倍的半徑區域範圍內的所有構件、肘板與鄰接桁材或其他結構部件、承受較大剪應力的桁材腹板端部、肘板與艙壁板；②焊腳高度除了按照規範中的焊接係數進行計算外，還要求不論採用何種焊縫形式和焊接方法，角焊縫的焊腳要≥3mm，但不必超過較簿構件厚度的1.5倍。間斷焊縫的焊腳高度一般不大於7mm；③在採用間斷焊時，肘板趾端包角長度應不小於連接骨材的高度，且不小於75mm；型材端部特別是端部削斜時，包角的長度應為型材的高度或不小於削斜長度，取大者；各種開孔、切口處端部和相互垂直的連接構件的垂直交叉處，應不小於75mm；間斷焊縫連續長度一般不小於15倍板厚或者75mm取小者。
2、經驗補充要求
在滿足建造規範要求的前提下，船廠還根據設計公司要求、多年的生產經驗和運營船東的信息反饋加以補充：①舷側防撞護舷材對應船殼內的縱骨應雙面連續焊；②海水壓載艙內所有構件的角焊縫應雙面連續焊；③上建艙壁對應的甲板下骨材或橫樑應雙面連續焊；④系泊設備、吊機、艇架、立柱、桅杆與船體連接的結構及附近構件應雙面連續焊；⑤甲板上通風筒，注入口，空氣管等穿艙件的厚度應不小於其所在船體處的板厚；⑥可能長期附著冷凝水的區域應雙面連續焊；⑦所有的角隅圓弧和斜切角處需要雙面連續焊；⑧肘板處的焊縫都是雙面連續焊；⑨甲板或艙壁開口的周界結構應雙面連續焊。
結束語
鋁合金高速船的焊接有著非常鮮明的特點，與鋼製船舶在規範要求、焊縫設計及焊接方面存在著明顯的差異。鋁合金的焊接條件比鋼製船要苛刻的多，這對造船廠焊接工藝和管理提出了更高要求。鋁合金的焊縫設計，焊接變形控制和新型焊接方式仍需要我們去不斷的探索和研究。
（作者單位：中國船級社廣州分社）
摘 要：文章從鋁合金的物理特性和焊接特性入手，進而闡述鋁合金船舶建造過程中的焊接準備、焊接操作、焊接變形控制及變形矯正工藝，並根據高速船的設計目標探討鋁合金高速船舶的焊縫設計。
關鍵詞：鋁合金 焊接特性 變形控制 焊縫設計
引言
鋁元素在地球中的含量豐富位居第三位，僅次於氧和矽，是地殼中含量最豐富的金屬元素。迄今為止，在金屬品種中，鋁製品僅次於鐵，是我們使用的第二大類金屬。鋁及其合金因其耐腐蝕、較高的比強度、易加工、無磁性、無低溫轉變導電性及導熱性好等特點，因而在航空航天、汽車工業、機械製造、船舶工業、輕工業及化學工業等領域所大量應用。船舶領域由於鋁合金的價格因素及強度因素，目前僅限於小型船舶例如：軍用快艇、公務船、高速船、車客渡船、遊艇等的使用。
鋁及其合金的物理及焊接特性
1、物理特性
常見的鋁及其合金為銀白色的輕金屬，鋁合金的命名一般採用國際四位數字體系牌號，船舶製造中主要使用的鋁合金屬於Al-Mg系的5083和6082。鋁及其合金與我們常見的鋼材在物理特性方面有很大差異（見表1）：
表1
2、焊接特性
鋁的易氧化性，低熔點，導熱迅速，線性膨脹係數大，高溫下強度低且形成低熔點共晶等特性，給焊接工作帶來很多困難：①鋁及其合金耐腐蝕的原因是基於其在空氣中易氧化而產生氧化膜Al2O3，這層緻密的氧化膜熔點高達2050℃，密度大於母材不易排出導致在焊接中產生未熔合或夾渣缺陷；②液態的鋁可以溶解大量的氫（0.69ml/100g），固態卻很少（0.036ml/100g），這樣的特性使得焊接過程由液態轉化為固態時，氫大量釋放無法析出時造成焊縫產生氣孔；③鋁的線性膨脹係數是鐵的一倍，收縮率是鐵的兩倍，直接導致鋁材焊接易產生構件變形；④鋁在高溫下強度很低，且鋁熔融後無明顯的顏色變化，焊接時容易焊穿而形成焊接缺陷。
鋁合金船的焊接及其準備
鋁合金的焊接方式一般分為如下幾大類：TIG焊（鎢極氬弧焊）、MIG焊（熔化極氬弧焊）、摩擦攪拌焊、爆炸焊等。目前我國鋁合金船舶製造行業中最常用的焊接方式為EPMIG焊，EPMIG焊特點是去膜和熔敷效率高，使用成本較低的氬氣做為保護氣體。
1、鋁合金的焊接準備
焊前處理。由於氧化膜的存在，焊前必須去除焊道內及坡口邊緣20mm內的氧化膜，通常採用不鏽鋼刷打磨方式，鋼絲輪應為打磨鋁材專用。打磨掉氧化膜後應儘快進行施焊作業，一般應在24小時內完成，如果時限內未能施焊，要在焊接區域貼上真空膜隔絕空氣進行保護，否則應重新進行去氧化膜處理。焊接前做好清潔工作，不允許水分、油脂、灰塵或其它污染物存在於焊接區域（必要時採取化學方法清潔）。
坡口的製備。根據板厚及焊接工藝的要求進行製備，確保焊接坡口角度和間隙尺寸是保證焊接質量的主要因素。板材端頭處應設置引弧板避免起熄弧在船體焊縫上。
作業環境。作業要求焊接區域溫度在5℃以上，濕度小於80%，風速不大於0.5m/s。當溫度較低或者濕度超標時，如仍需進行施焊作業，應採取預熱和除濕機除濕等方式改善作業環境。
2、鋁合金的焊接操作
在準備工作完成後，按照認可的焊接工藝調整好電流電壓及送絲速度，檢查保護氣體的種類及餘量，就可以開始施焊了。焊接過程中，一般採取左焊法，焊槍噴嘴下端與焊接構件距離掌握在8～15mm之間。
由於鋁材的導熱率高，對於厚度達到8mm以上的厚板對接，或者厚度達到16mm以上的結構角接，應進行焊前預熱，預熱溫度為50℃■10℃。為了排除氧氣乙炔火焰可能帶來的不利，預熱可以採用風筒熱風加熱方式。對於需要進行多道焊的厚板焊接，除了預熱外還要控制焊接過程中的層間溫度，一般控制在60℃以下。
鋁合金的焊接變形預防和變形矯正
焊接變形會產生構件的彎曲，引起整個結構失穩從而無法承載應力。由於鋁合金導熱快及線性膨脹係數高的特點，使得鋁合金的焊接變形控制比鋼材更難。
1、船舶製造廠常用的焊接變形控制方法
焊接的熱輸入量是引起變形的根本所在，減少熱輸入量即控制好焊接參數，滿足規範要求的前提下減小焊腳，採用間斷焊。
預留出反變形餘量，焊接結束後坡口一側焊縫冷卻收縮變形與預留餘量相互抵消，此種方法對焊工的經驗要求較高。
在焊接板材的長對接縫時，採用逐段退焊的方式減小變形量，一般每段焊接的長度不小於600mm，首尾重疊20mm，在下一段施焊前應銑掉上一段的起弧點。
控制焊接順序。先焊對接焊縫，再焊角接焊縫；從中央區域往四周施焊；先焊船體內側，再焊外側；先焊收縮量大的焊縫；對稱結構應該安排兩名焊工同時進行對稱工作。
2、焊後變形的矯正措施
水火矯正。鋁合金水火矯正要求對加熱溫度進行嚴格的控制，防止過熱造成構件的性能改變。火工的溫度一般控制在260℃ ～425℃的範圍內，或按照鋁合金製造廠的說明進行。由於5000系的鋁合金在65℃ ～200℃溫度區間內會降低其耐腐蝕性能，所以火工過程中加熱應迅速，採用水冷快速冷卻，不宜在空氣中時效冷卻。
焊接矯正。骨材與板材角接後焊縫冷卻收縮，造成板材彎曲，此矯正法是在背向骨材的板材表面開槽後燒焊帶來反變形對構件進行校正，矯正結束後再磨平焊縫。
冷加工矯正。採用校平機、折彎機等機加工設備進行矯正，只適用於簡單的板材或型材的矯平，5000系的鋁合金冷加工矯正應在52°以下進行。
鋁合金高速船的焊縫設計
鋁合金高速船製造上一個最重要的目標就是達到設計航速。為了達到上述目標，在同樣的船體線型和同等的主機功率下，空船重量越輕意味著船舶的航速越快油耗越低，鋁合金的密度只有鋼材的1/3，這能極大的減輕空船重量，這個特點使得鋁合金非常適合作為建造高速船的材料。
除了在建造中對上船材料的重量進行嚴格控制外，鋁合金船舶在焊接設計上及儘可能的採用間斷焊，不僅可以減輕空船重量，還能控制焊接變形。但由於間斷焊不適用於高應力或特殊區域，因此還應注意到下列焊縫設計要求：
1、高速船建造規範要求
船級社規範對高速船焊縫的設計要求：①規範要求雙面連續焊的連接焊縫如下：中桁材與平板龍骨、機器基座與支撐結構、油密水密結構周界、舵機處所有結構、處於衝擊區域內的底部和首部結構、扶強材、支柱、橫撐材和桁材的支承及端部、螺旋槳上方處，至少為螺旋槳直徑的1.5倍的半徑區域範圍內的所有構件、肘板與鄰接桁材或其他結構部件、承受較大剪應力的桁材腹板端部、肘板與艙壁板；②焊腳高度除了按照規範中的焊接係數進行計算外，還要求不論採用何種焊縫形式和焊接方法，角焊縫的焊腳要≥3mm，但不必超過較簿構件厚度的1.5倍。間斷焊縫的焊腳高度一般不大於7mm；③在採用間斷焊時，肘板趾端包角長度應不小於連接骨材的高度，且不小於75mm；型材端部特別是端部削斜時，包角的長度應為型材的高度或不小於削斜長度，取大者；各種開孔、切口處端部和相互垂直的連接構件的垂直交叉處，應不小於75mm；間斷焊縫連續長度一般不小於15倍板厚或者75mm取小者。
2、經驗補充要求
在滿足建造規範要求的前提下，船廠還根據設計公司要求、多年的生產經驗和運營船東的信息反饋加以補充：①舷側防撞護舷材對應船殼內的縱骨應雙面連續焊；②海水壓載艙內所有構件的角焊縫應雙面連續焊；③上建艙壁對應的甲板下骨材或橫樑應雙面連續焊；④系泊設備、吊機、艇架、立柱、桅杆與船體連接的結構及附近構件應雙面連續焊；⑤甲板上通風筒，注入口，空氣管等穿艙件的厚度應不小於其所在船體處的板厚；⑥可能長期附著冷凝水的區域應雙面連續焊；⑦所有的角隅圓弧和斜切角處需要雙面連續焊；⑧肘板處的焊縫都是雙面連續焊；⑨甲板或艙壁開口的周界結構應雙面連續焊。
結束語
鋁合金高速船的焊接有著非常鮮明的特點，與鋼製船舶在規範要求、焊縫設計及焊接方面存在著明顯的差異。鋁合金的焊接條件比鋼製船要苛刻的多，這對造船廠焊接工藝和管理提出了更高要求。鋁合金的焊縫設計，焊接變形控制和新型焊接方式仍需要我們去不斷的探索和研究。
（作者單位：中國船級社廣州分社）
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