船 用 铝 合 金 的 几 种 焊 接 方 法
铝合金具有密度小、无磁性以及良好的低温性能，用它作为船舶的结构材料，可以减轻船的重量，增加载重量，提高平稳性和航速。所以，对于各类中小型船舶，尤其是水翼船、气垫船、军用小型舰艇，选它作为壳体材料是一个发展方向。铝合金在船舶建造中的应用已由起先的上层建筑发展到全焊铝结构船，但无论应用在船上的哪个部位，都离不开铝合金之间、铝合金与钢结构之间的焊接，且不同的焊接方法能得到不同的焊接效果。
1、铝合金
1.1 铝合金分类
铝合金按产品状态大致分为变形合金和铸造合金两类，变形合金包括板、棒、型材、管、锻件等，铸造合金包括金属模铸件和压铸件等。
变形铝合金根据其主要添加元素的种类可分为两大类：非热处理合金和热处理合金。非热处理合金是经过轧制、拉拔等冷加工而获得，包括1000、3000、4000、5000 系；热处理合金是经过淬火、回火等热处理后获得，包括2000、6000、7000 系。1000 系（纯Al 系）和 3000 系合金（Al-Mn） 强度低， 不适合作结构件， 但耐蚀性和成型性能优良。 2000 系（Al-Cu 系）、6000 系（Al-Mg-Si 系）、7000 系（Al -Zn-Mg 系）等热处理合金都有强度高的特点，2000 系合金因耐蚀性和可焊性差，不适于作一般构造材料，6000 系合金由于挤压性能和耐蚀性能优良，多用作挤压型材，7000 系合金可焊性好且焊缝强度高，但耐蚀性差，不能使用在海洋大气环境中。 4000 系（Al-Si 系）非热处理合金铸造和锻造性能优良，5000 系（A1-Mg 系）非热处理合金， 如5052、5083 等含高Mg 合金，由于具有适当的机械强度和抗疲劳强度，并且耐蚀性、可焊性以及可加工性等优良，它们作为耐蚀可焊接结构用合金正广泛用于船舶等领域中。
1.1.1 Al-Mg 系合金
Al-Mg 系合金是向铝中单独添加Mg 或同时添加Mg 和Mn 的非热处理强化合金。含2.5%～5% Mg 的A5052 和A5083 等合金，随着Mg 含量的不同，可具有196～294MPa 的抗拉强度，能作为焊接结构材料使用。当与适当成分的添加金属配合时，可焊性很好，抗蚀性特别是抗海水腐蚀性也很好。但是，Mg 含量＞5%时，合金容易发生应力腐蚀，因此，通常用添加Mn 或Cr 的方法来防止发生这种腐蚀现象。通过冷作硬化的方法，可以获得不同性能的合金，为了防止合金在常温下发生时效软化现象，还要进行稳定化处理。
1.1.2 Al-Mg-Si 系合金
Al-Mg-Si 系合金是以Mg2Si 作为强化相的可热处理强化铝合金，抗拉强度随固熔处理温度的提高和熔质原子的充分固熔而提高，T6 状态比T4 状态合金的机械性能高。该系合金的加工成形性能和抗蚀性能均好，如果采用适当成分的添加金属，可焊性也不差，但缺点是焊接接头由于焊接热的影响而变软。该系列合金A6061 被应用于车辆和建筑等刚性结构，该系列合金A6063 则被广泛应用于各种框架。
1.1.3 Al-Zn-Mg 系合金
Al-Zn-Mg 系合金是以Zn 为主要添加元素并含有少量Mg 的二元合金，具有约294 MPa 的抗拉强度和优良的焊接性。该系合金由于具有优良的常温时效特性，以及因焊接热而发生的软化区，焊后能自然回复特性。因此，它便于作为焊接结构材料使用而受到重视。T6 状态的这种铝合金比T4 状态合金的延伸率略低些，但抗拉强度和屈服强度较高，硬度亦较高。以Zn 为主要合金元素并含有Mg、Cu 和少量Cr 的A7075 合金是强度最高的铝合金，被称为超硬铝，它的缺点是焊接困难，抗蚀性能也较差。
1.2 船用铝合金
船舶用铝合金按用途可分为船体结构用铝合金、舾装用铝合金和焊接添加用铝合金。在较长的一段时间内，船用铝合金主要在Al-Mg 系合金和A1-Mg-Si 系合金中选择。而原苏联则较多地选择A1-Cu-Mg 系合金用于造船，作为快艇壳体材料。近年来对中强可焊的A1-Zn-Mg 系合金的研究也日益增多，并取得一些进展，中强A1-Zn-Mg 系合金热处理后的强度和工艺性能比A1-Mg 系合金还优越，并且可焊和有一定的抗蚀性，对造船业有很大的吸引力［1］。 20 世纪 80 年代以后，船舶结构的合理化和轻量化越来越被重视，大型船舶的上层结构和舾装件开始大量使用铝合金。在舾装铝合金中，经阳极氧化处理的6063–T5 合金挤压型材主要用于框架结构，H14、H24 状态的工业纯铝和3203 合金等的板材主要用于舱室内壁等内装结构，铸造性能优良的AC4A 和AC4C 合金铸件主要用于舾装件。AC7A 合金具有很强的抗腐蚀性能，可望在船舶中应用，但它的铸造性能较差。
早在20 世纪60 年代初期，我国就采用LF5M、LF21M 铝合金通过焊接方法建造了铝结构的上层建筑和全焊铝质救生艇，初步积累了一些经验。80 年代，我国研制成功的耐蚀、可焊船用铝合金LF16（2103）、LF15（2101），其性能指标达到和超过了国外同类产品的指标，均已列入国家军用标准，是我国铝合金焊接船建造推荐使用材料。LF15、LF16 铝合金的研制成功，为我国铝合金焊接船的发展奠定了基础。洛阳船舶材料研究所与芜湖造船厂合作采用LF16 船用铝合金成功
地建成我国第一条全焊铝质船“龙门”号海港工作艇，这是我国铝合金焊接船发展的开创性突破。之后，多家船厂建成全焊铝结构边防巡逻艇、双水翼艇、浦江巡逻艇等；还建造了单体快艇、双体客船等的铝质上层建筑或甲板室，解决了铝质上层建筑与钢质船体甲板之间采用焊接方法实现连接的问题。目前已建造全焊铝结构双体船，这也是我国迄今建造的最大的铝合金焊接船。
2、铝合金的焊接方法
铝表面有一层熔点高、比重大且易吸附水分的氧化膜（Al2O3）。焊接时，如果工艺措施不当，氧化膜会阻碍焊缝金属间的相互熔合，形成氧化物夹杂和密集型气孔，影响焊缝质量；由于铝的膨胀系数约为钢的两倍，而其弹性模量却只有钢的1/3，其导热系数又是钢的5 倍，因此，铝焊接时所产生的变形要比同样条件下钢结构的变形大得多。针对以上特点，采取相应的工艺措施，可以使铝合金焊接船的局部及整体变形均得到很好的控制，焊缝质量达到标准要求。
2.1 铝合金之间的焊接
2.1.1 TIG 焊和MIG 焊
铝合金常用的焊接方法是钨极惰性气体保护焊（TIG 焊）和熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）。TIG 焊的电极是难熔金属钨或钨的合金棒，电弧燃烧过程中电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时，电极、电弧区以及熔化金属都处在惰性气体保护之中，使之与空气隔离。最常用的是钨极氩弧焊，即以氩气作保护气体。铝合金TIG 焊一般采用交流电源，利用电流在负半波时的阴极雾化效应可以有效清理铝合金表面的氧化膜，改善熔合性。MIG 焊采用焊丝作电极及填充金属，并在惰性气体保护下进行焊接。由于用焊丝作电极，可采用高密度焊接电流，因而母材熔渗大，填充金属熔敷速度快，焊件变形比TIG 焊小。铝合金熔化极氩弧焊采用直流反接，有良好的阴极雾化作用，可有效确保焊缝的质量要求。
传统的铝合金钨极氩弧焊（TIG）焊接热输入大，焊接速度慢，在焊缝及其附近产生较高的峰值温度和较宽的热影响区，使焊缝金属和附近母材产生过时效，从而造成焊接接头强度和硬度的大幅降低。铝合金熔化极气体保护焊（MIG）焊接线能量小，焊接速度快，焊接铝合金特别是热处理强化铝合金（6000 系列、7000 系列）时，有利于改善焊缝金属和焊接热影响区的组织，有效地减小焊接接头的强度损失。国外研究表明，铝合金MIG 焊焊接接头比TIG 焊焊接接头具有更高的抗疲劳性能。另外，由于MIG 焊焊接线能量小，结构建造时所产生的焊接变形也小，因而对产品整体质量的保证也极为有利。
经过近几年的发展，MIG 焊从焊接设备、焊接材料到焊接工艺，都日益走向成熟，获得高质量的MIG 焊缝已经成为可能。目前，国外铝合金焊接90%以上采用MIG 焊，国内的铝合金MIG 焊技术也得到了迅速发展。针对船用铝合金的焊接以及MIG 焊显现出的突出优点，研究并提出成熟的铝合金MIG 焊工艺将为铝合金在船舶建造上的应用提供有力的保证。
2.1.2 搅拌摩擦焊
近十几年得到迅速发展的新型焊接方法——搅拌摩擦焊，具有一系列其它焊接方法无法比拟的优点，引起了人们的广泛关注。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）于 1991 年提出的一种固态塑化连接方法。其焊接过程是由一个圆柱体形状的搅拌头（Welding Pin）伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位材料的温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
与传统熔化焊技术相比，FSW 所得接头具有晶粒细小、疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好等优点；FSW 焊接过程无飞溅、无烟尘、无气孔，不需添加焊丝和保护气体，是一种清洁加工制造技术。由于接头部位不存在金属的熔化过程，故不存在熔焊时的各种缺陷，焊缝成形较好。同时由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变化过程，FSW 焊后接头的内应力小、变形小。与普通摩擦焊相比，FSW 不受轴类零件的限制，可用于板结构的焊接。尤其值得指出的是，搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点。此外，FSW 焊接时没有严重的电磁干扰，对于批量生产，不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理，使用非损耗的搅拌头，一个典型的搅拌头可用来焊接长达1 000 m 的6000 系列铝合金。
迄今为止，挪威大约有25%的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊制造，在船舶总体制造成本上增加大约5%利润。采用搅拌摩擦焊可以使船舶制造的装配更精确、简易且节省时间，从而使船舶建造由零件的制造装配变为船舶甲板以及壳体预成型结构件的装配。搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成型结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间等方面具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，也可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法。搅拌摩擦焊代替熔焊用于轻合金结构件的制造是现代焊接方法发展的又一次飞跃。
2.1.3 激光焊
激光焊接技术具有热输入量集中、工件变形小、焊接速度快、加工质量好等一系列优点，在造船工业中采
用激光制造技术必将缩短船舶建造周期，提高与稳定船舶制造质量，因此探索激光焊接技术在全铝结构船舶制造中的应用具有重要的意义。随着激光器输出功率、光束质量的不断发展，利用激光焊接船用铝合金中厚板（4. 0～8. 0 mm）已成为可能，为激光技术在造船业中的应用开拓了新的领域［2-3］。
采用 CO2 激光器对 5083 铝合金进行焊接过程中，5083 合金的焊缝成形受焊接条件、激光参数以及保护气体成分等条件影响很大，主要表现在成形质量上。在穿透焊情况下，激光焊接过程稳定性差，原因可能是小孔内瞬时受力不平衡造成了等离子体的周期性波动，造成了表面孔洞等缺陷。表明：采用CO2 激光填丝焊接方法，实现了6 mm 厚度5083 船用铝合金T 形构件的角焊缝焊接；激光束入射角度、作用位置及焊接速度与送丝速度的匹配对T 形构件角焊缝成形影响重大，在优化参数下，对6 mm 厚的板材进行焊接，能够得到满意的焊缝成形。焊缝气孔是铝合金T 形接头激光焊接存在的主要问题，由T 形接头焊接过程中小孔和熔池的特殊受力状态及两板间的间隙 引起。
2.2 铝合金与船体钢之间的焊接
铝合金-钢过渡接头一般是由5083 铝合金、1060 铝（中间层）和CCSB 钢3 种不同金属材料经爆炸复合而成。过渡接头与其它结构连接时，通常的做法是铝与铝焊、钢与钢焊、中间层不焊。由于低密度铝和高强度钢爆炸复合需要高的冲击速度，高冲击速度导致结合区大量的热析出，使结合界面可能产生脆性的金属间化合物，这些化合物在焊接应力的作用下，容易引起铝-钢界面开裂。此外，铝合金的导热系数、比热容等比钢大一倍多，这也给焊接带来了很大困难。在1992 年 8 月，通过爆炸复合的三层铝-钢复合连接条对铝合金上层建筑与钢结构进行焊接，我国某船厂成功建造了首艘渡船，且该渡船复合连接条截面面积仅为国外的一半以下，在随后3 年的使用表明，该型渡船能够经受住风浪载荷的考验。
通过模拟热处理试验，分析了焊接时界面温度与界面温度与界面结合强度的关系，对两组不同焊接规范下复合过渡接头的界面结合强度进行了对比，确定了合适的焊接工艺参数。得到结论：过渡接头与铝和钢焊接时，界面温度不应超过350 ℃；过渡接头与铝和钢焊接时，应严格控制焊接线能量，减小焊接热输入对复合过渡接头界面结合强度的影响；采用小焊接规范工艺参数对铝合金-钢过渡接头进行焊接是合适的。
3 展望
在国外，铝合金早已广泛应用于舰艇和民船。建造铝合金焊接船和铝质上层建筑，这必将促进我国海军装备和水上交通事业的发展。
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