船用高強(qiáng)度鋁合金焊接工藝研究進(jìn)展

姜松濤

（1. 嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314000；2. 江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，鋁在船舶艦艇中的用量逐年增長(zhǎng)，但鋁合金焊接存在焊接接頭軟化嚴(yán)重，表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜，且焊后易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋、焊接變形、合金元素?zé)龘p、接頭性能下降等缺陷。目前，國(guó)際機(jī)械裝備競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)船用鋁合金焊接提出了新的要求，一種焊接操作方便且焊后擁有高性能焊接接頭的船用鋁合金焊接工藝已經(jīng)成為船舶焊接領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

1 船用高強(qiáng)度鋁合金需求分析

變形鋁合金在大型水面艦船上層建筑及各類客船上都有應(yīng)用。泵、活塞及舾裝件等部件較多使用鑄造鋁合金[1]。鋁合金在艦船上的應(yīng)用分為三類，一類結(jié)構(gòu)為受力結(jié)構(gòu)件如船體、艦船甲板室、導(dǎo)彈發(fā)射筒等。二類結(jié)構(gòu)為6063、6082、3003等合金材料常用在非受力構(gòu)件或受力較小的構(gòu)件，如油箱、水箱、管道、儲(chǔ)藏柜、手把、窗，擋風(fēng)板和支架等。三類結(jié)構(gòu)主要用的是功能材料，用于制造船艙內(nèi)部裝飾件與絕熱、隔聲材料，除用各種熱處理不可強(qiáng)化鋁合金材料外，鋁-塑復(fù)合板與泡沫鋁材在船舶制造中的應(yīng)用逐步提高，泡沫鋁板具有良好的隔聲效果，潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)室多用此材料，復(fù)合板的兩側(cè)或單側(cè)為較薄的1100、3003鋁合金板，芯層為塑料層，其特點(diǎn)是質(zhì)量輕，有適當(dāng)?shù)膭傂裕玫臏p振隔聲效果，船舶艦艇內(nèi)部裝飾，也可以作為門(mén)窗等材料[2]。

含Ni的Al-Cu系鋁合金最早應(yīng)用于船舶上，繼而采用2系鋁合金，而2系鋁合金的耐腐蝕性能一般，限制了在造船中的應(yīng)用[3]。20世紀(jì)30年代，采用了6061-T6鋁合金鉚接方法來(lái)構(gòu)造船體。40年代，焊接性能和耐腐蝕性能良好的5系鋁合金得到了應(yīng)用。50年代，TIG焊（非熔化極惰性氣體保護(hù)焊）技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用。60年代，美國(guó)海軍先后開(kāi)發(fā)出鋁合金擠壓型材，解決了剝落腐蝕和晶間腐蝕問(wèn)題，隨后屈服強(qiáng)度更高、耐海水腐蝕性能良好的6系鋁合金廣泛應(yīng)用在船舶制造中。70年代后，船舶結(jié)構(gòu)的合理化和輕量化受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，鋁合金開(kāi)始在艦船的上層結(jié)構(gòu)大量使用，許多上層結(jié)構(gòu)和舾裝采用了鋁合金[4]。

在建造航空母艦、巡洋艦、護(hù)衛(wèi)艦、潛艇、快艇、民用船舶時(shí)鋁合金有很大的需求[5,6]，在航母上，從飛機(jī)起落的部分甲板、艙室隔壁、管道、舷窗蓋、門(mén)和部分輔機(jī)等都用到鋁合金，許多驅(qū)逐艦主甲板上的結(jié)構(gòu)也都采用鋁合金制造。

2 TIG焊及MIG焊

TIG焊的焊接接過(guò)程穩(wěn)定，保護(hù)效果好，經(jīng)濟(jì)成本低，交流TIG焊陰極有去除氧化膜的作用，可以清除熔池表面的氧化膜，適用于鋁合金的焊接。傳統(tǒng)的TIG焊有直流TIG焊、交流TIG焊、脈沖TIG焊等，隨著技術(shù)的發(fā)展，TIG焊的焊接工藝也在不斷完善，如高頻脈沖氬弧焊、窄間隙熱絲TIG焊、雙面雙弧TIG焊、自動(dòng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊等焊接技術(shù)被逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。

陳澄等人[7]對(duì)12mm板厚的5083鋁合金進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊縫組織均勻細(xì)小，強(qiáng)度和塑性良好，抗拉強(qiáng)度為母材的90%以上。李杰慶等人[8]對(duì)2A12等鋁合金進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)得出的焊縫組織呈等軸枝晶分布，熔合區(qū)組織為晶粒粗大的柱狀晶，抗拉強(qiáng)度在50%～90%，滿足服役要求，但在熱影響區(qū)都出現(xiàn)了不同程度的軟化，為了細(xì)化接頭組織以及改善接頭成形，選用鹵化物 NaCl、CaF2和氧化物SiO2、MnO2、TiO2作為活性劑來(lái)細(xì)化焊縫組織，增加焊縫熔深，改善焊縫質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)率。

MIG焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）具有生產(chǎn)率高、適應(yīng)性良好的特點(diǎn)，在鋁合金焊接中得到廣泛應(yīng)用，隨著鋁合金MIG焊技術(shù)的發(fā)展，同種材料的焊接已經(jīng)趨于成熟。鋁合金異種材料的焊接，常常要引入中間層來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的連接。Zhang等人以鋅箔為中間層材料，在1mm厚的鎂合金和鋁合金板之間進(jìn)行對(duì)接焊[9]，鋅箔作為阻止鋁與鎂原子反應(yīng)的阻擋層，獲得了不同材料的無(wú)裂紋搭接接頭。

3 激光焊

激光焊為高能束焊接，具有功率密度高、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形小、無(wú)接觸、不受電磁干擾、可在大氣中進(jìn)行焊接等優(yōu)點(diǎn)，但由于鋁合金反射率高、導(dǎo)熱性好以及等離子體的屏蔽作用，焊接時(shí)易出現(xiàn)氣孔和熱裂紋?？讜苑嫉热薣10]采用5087焊絲作為填充材料，對(duì)4mm厚的5083鋁合金進(jìn)行了光纖激光焊接，得到了良好的焊接接頭，焊縫硬度與母材接近。許良紅等人[11]對(duì)高強(qiáng)度鋁合金2519-T87進(jìn)行焊接，焊縫組織細(xì)小，晶界共晶相呈短棒狀均勻分布，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的74%。續(xù)敏等人[12]對(duì)5052鋁合金激光焊接接頭進(jìn)行了研究，焊縫區(qū)主要為等軸晶，晶粒較母材和熱影響區(qū)細(xì)小，拉伸斷口為典型的韌窩斷口形貌。房曉玉等人[13]分析了稀土粉末對(duì)6061鋁合金激光焊接組織和性能的影響，通過(guò)添加稀土粉末，提高焊接穩(wěn)定性，抑制焊接裂紋的產(chǎn)生，提高焊縫硬度，但降低了焊縫的抗拉強(qiáng)度。

周逸凡等人[14]分析探討了4mm厚5A06高強(qiáng)度鋁合金光纖激光-MIG電弧復(fù)合焊的表面成形規(guī)律與氣孔特性，穩(wěn)定的光纖激光-MIG電弧復(fù)合焊無(wú)需對(duì)母材進(jìn)行復(fù)雜的焊接前、后處理，即可有效地減少甚至完全消除鋁合金試樣的接頭氫氣孔。 M.Sheikhi等人[15]對(duì)2024鋁合金激光焊的凝固裂紋進(jìn)行了深入研究，根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了開(kāi)裂準(zhǔn)則。

鋁合金激光焊可以獲得成型良好焊接接頭，而且通過(guò)加入稀土元素和采用激光復(fù)合焊等，可以使接頭的性能得到一定程度的改善。但由于鋁合金在室溫下對(duì)激光的反射率很高，同時(shí)也會(huì)存在易出現(xiàn)氣孔、裂紋缺陷。激光焊對(duì)于中厚板鋁合金的焊接還存在一定難度。而對(duì)于電子束焊和攪拌摩擦焊，受設(shè)備的限制，主要集中在薄板和中厚板的焊接方面。常艷君等人[16]發(fā)現(xiàn)預(yù)熱和重熔可以同時(shí)降低電子束焊接接頭的強(qiáng)度和塑性，尤其對(duì)接頭的塑性影響更大，但會(huì)使焊縫區(qū)的晶粒組織變得粗大。

4 電子束焊

電子束焊在整個(gè)焊接過(guò)程中處于真空狀態(tài)下，由于電子束具有較高的能量密度，焊接深寬比大，對(duì)于較厚的試件，焊接能夠?qū)崿F(xiàn)一次成形，基本避免了鋁合金氫氣孔缺陷，對(duì)鋁合金中厚板的焊接具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

陳國(guó)慶等人[17]通過(guò)對(duì)2A12鋁合金電子束筒體焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣孔是影響接頭強(qiáng)度的主要因素，氣孔來(lái)源主要有兩個(gè)：一個(gè)是氫氣孔，一個(gè)是Mg。Al2O3和MgO兩者的氧化膜部分汽化形成的氣孔，后者的影響較大，為消除接頭氣孔的缺陷，采用了較大的電子束斑、較低的焊接速度和復(fù)雜的掃描圖形進(jìn)行焊接，取得了較好的效果。

當(dāng)兩側(cè)材料對(duì)熱輸入的需求產(chǎn)生差異時(shí)，對(duì)于某些鋁合金的電子束焊接，一般采用偏束焊技術(shù)，這樣可以有效實(shí)現(xiàn)熱輸入的分配。陳國(guó)慶等人[18]分別采用電子束對(duì)中焊、偏束焊技術(shù)，研究了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料SiCp/2024與2219鋁合金的接頭組織及力學(xué)性能，焊縫處生成少量針狀體Al4C3，復(fù)合材料熱影響區(qū)中部以上有一層較窄的區(qū)域生成了脆性相Al4C3，最大抗拉強(qiáng)度為131MPa，為母材的54%，斷裂為典型的脆性斷裂。

隨著電子束焊接的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出了電子束的分束焊接技術(shù)，采用分束焊接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子束的多區(qū)域焊接。T. V. Olshanskaya等人[19]研究了電子束焊接中的光束分離技術(shù)，將電子束的動(dòng)態(tài)定位應(yīng)用在AlMg6鋁合金的焊接中，提出了一種鋁合金電子束分束焊接的最佳分解方法。

5 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程不產(chǎn)生煙塵、飛濺和輻射，焊后幾乎不會(huì)產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷，但焊接接頭中存在溝槽、飛邊、孔洞、未焊合等缺陷，需設(shè)計(jì)合適的攪拌頭，選用合適的焊接工藝參數(shù)。

Radisavljevic[20]等人研究了旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對(duì)2024-T351鋁合金對(duì)接接頭焊縫形貌的影響，當(dāng)焊接速度為73～190mm/min、旋轉(zhuǎn)速度為750r/min時(shí)，焊縫成形良好，表面具有均勻的魚(yú)鱗狀；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為950r/min和1180r/min時(shí)，焊縫表面成形差，出現(xiàn)起皮和犁溝缺陷[21]。Imam等人[22]通過(guò)電子背散射、透射電子顯微鏡技術(shù)，進(jìn)行了6063-T4鋁合金焊接接頭微觀組織觀察，并通過(guò)機(jī)械測(cè)試對(duì)其接頭性能進(jìn)行了研究，研究表明，晶粒和晶界的取向差與應(yīng)變、應(yīng)變率和峰值溫度有關(guān)，攪拌區(qū)的主要強(qiáng)化機(jī)制是晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。王希靖等人[23]對(duì)航空用5mm厚鋁合金7050-T7451攪拌摩擦焊接頭的低周疲勞性能進(jìn)行了研究，得到了低周疲勞壽命表達(dá)式和應(yīng)變-壽命曲線，焊接接頭的疲勞斷口均發(fā)生頸縮，為韌性斷裂。針對(duì)鋁合金焊接結(jié)束后遺留下來(lái)的匙孔對(duì)焊接結(jié)構(gòu)造成的不良影響，黃永憲[24]等人基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫匙孔的固態(tài)補(bǔ)焊，為攪拌摩擦焊焊縫缺陷的修復(fù)和無(wú)匙孔攪拌摩擦焊提供了技術(shù)支撐。

6 船用高強(qiáng)度鋁合金焊接工藝展望

針對(duì)船用鋁合金焊接國(guó)內(nèi)外差距主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）國(guó)內(nèi)船用鋁合金焊接質(zhì)量與國(guó)外還存在一定差距，尤其是對(duì)鋁合金要求較高的軍品船基本靠進(jìn)口；（2）國(guó)內(nèi)鋁合金焊接技術(shù)研究主要集中在熔化焊等常規(guī)焊接方法上，如MIG焊等，激光焊和電子束焊等，未能解決鋁合金厚板的焊接問(wèn)題；（3）國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊技術(shù)與國(guó)外相比還存在一定差距。

攪拌摩擦焊在焊接鋁合金方面已體現(xiàn)出熔化焊不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在外觀、重量、性能、成本以及制造時(shí)間等方面，攪拌摩擦焊為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法，但攪拌摩擦焊這項(xiàng)新技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，將這種新的焊接方法用于船舶的焊接還有一定距離，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)必將應(yīng)用于船舶焊接[25]。實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)中常用MIG焊、TIG焊等常規(guī)方法來(lái)焊接鋁合金材料。這兩種方法具有焊接成本低、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，兩種焊接方法的結(jié)合或許可以實(shí)現(xiàn)船用高強(qiáng)度鋁合金的焊接性能調(diào)控。

7 結(jié)語(yǔ)

各系鋁合金在艦船上均有應(yīng)用，因此，船用鋁合金的連接得到焊接學(xué)者的高度重視。鋁合金焊接時(shí)存在的問(wèn)題主要如下：（1）氧化能力強(qiáng)；（2）易產(chǎn)生氣孔；（3）膨脹系數(shù)較大，熱裂紋傾向高；（4）合金元素?zé)龘p，接頭性能下降；（5）鋁導(dǎo)熱快，熱容量大，必須采用熱量集中的焊接方法；（6）鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的顏色變化，容易造成焊塌而形成焊瘤。

近幾年，為了解決這些問(wèn)題，研究者們做了很多研究，并將鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展歸為三方面：其一，基于對(duì)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新而出的新型鋁合金焊接技術(shù)；其二，高能密度焊接技術(shù)在鋁合金焊接領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用；其三，攪拌摩擦焊在鋁合金焊接領(lǐng)域中的出現(xiàn)[26]。

激光焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，但激光功率較小時(shí)，厚板的焊接困難, 且表面對(duì)激光束的吸收率很低，以及要達(dá)到深熔焊時(shí)存在閾值問(wèn)題，工藝上有一定難度。未來(lái)幾年，隨著焊接工藝的改進(jìn)將會(huì)使高強(qiáng)度鋁合金在船舶上的應(yīng)用更加廣泛，對(duì)未來(lái)工業(yè)化發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。