5083铝合金船舶焊接工艺探讨.docx
《5083铝合金船舶焊接工艺探讨.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5083铝合金船舶焊接工艺探讨.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
5083铝合金船舶焊接工艺探讨
安徽机电职业技术学院
毕业设计
5083铝合金船舶焊接工艺探讨
【摘要】
铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。
铝合金在部件中的应用情况、发展趋向及其在组焊中存在很多问题。
对铝合金及其异种金属焊接接头进行了焊接性试验研究结果表明，其焊接接头有满意的力学性能、抗裂性及抗应力腐蚀性能，适合用于制造轻轨车辆、军用船、航空航天等领域的广泛应用。
关键词：
铝合金船舶构件焊接工艺焊接缺陷、检测
前言
船舶焊接技术是现代造船模式中的关键技术之一。
先进的船舶高效焊接技术，在提高船舶建造效率，降低船舶建造成本，提高船舶建造质量等方面具有重要的作用，也是企业提高经济效益的有效途径。
先进的船舶高效焊接技术涉及到船舶制造中的工艺设计、计算机数控下料、小合拢、中合拢、大合拢、平面分段、曲面分段、平直立体分段、管线法兰焊接、型材部件装焊等工序和工位的焊接工程。
同时也会牵动与之相关的焊接产业链，如焊接材料、焊接设备和专用工装、焊接辅器具、金属的加工、焊接接头设计、焊接接头性能与质量控制、焊接标准与规范等。
焊接技术也随着造船技术不断进步，焊接技术的实力决定了一个地区的造船能力。
世界船舶焊接技术沿着高效、自动、智能化发展。
纵观国内外造船企业的造船模式，主要流程基本相同，为零件→部件→分段→总段→船台（坞）搭载。
于此相对应，所采用的焊接技术也大同小异。
在部件、分段、总段等中间产品的生产制造阶段采用自动化程度很高的大型生产焊接装置，在船台搭载时采用单机自动化装置。
经过50多年的发展，中国已成为世界造船大国。
目前，我国造船焊接工艺已发展到40多种典型焊接技术除了在散货船、油船、集装箱船等主力船型上应用之外，还在液化天然气船（LNG）、液化石油气船（LPG）、海洋浮式生产储油船（FPSO）、超大型油船（VLCC）、军用船等高技术、高附加值船舶上获得广泛应用。
目录
第一章5083铝合金焊接工艺
一、5083铝合金材料的分类及牌号…………………………………………………3
1、5083铝合金材料的分析……………………………………………………………4
2、5083铝合应用………………………………………………………………………4
3、5083铝合金的焊接性………………………………………………………………5
二、5083铝合金焊接工艺分析………………………………………………………6
1、5083铝合金焊接工艺的一般特点…………………………………………………6
三、5083铝合金焊接方法选择………………………………………………………6
1、TIG焊接方法………………………………………………………………………7
2、MIG焊接法（DCRP）………………………………………………………………7
四、焊接工艺参数的确定……………………………………………………………7
五、焊接材料…………………………………………………………………………8
1、焊丝…………………………………………………………………………………8
2、保护气体……………………………………………………………………………8
3、钨极…………………………………………………………………………………8
六、5083的焊接接头口形式及其选择………………………………………………9
1、焊接坡口的设计…………………………………………………………………9
2、焊接坡口的加工……………………………………………………………………9
七、5083铝合金的清准备工作………………………………………………………9
1、焊前清理…………………………………………………………………………11
2、垫板………………………………………………………………………………11
3、焊前预热………………………………………………………………………11
4、焊后处理…………………………………………………………………………12
八、技术要点…………………………………………………………………………13
九、5083铝合金焊接操作……………………………………………………………14
⑴引弧…………………………………………………………………………………14
⑵焊接…………………………………………………………………………………14
⑶熄弧…………………………………………………………………………………15
十、钨极氩弧焊工艺…………………………………………………………………16
十一、熔化极氩弧焊工艺……………………………………………………………17
1、熔化极氩弧焊原理及特点…………………………………………………………17
2、熔化极氩弧焊工艺………………………………………………………………17
3、熔化极脉冲氩弧焊工艺参数………………………………………………………18
十二、先进焊接方法…………………………………………………………………18
1、激光焊工艺…………………………………………………………………………18
2、搅拌摩擦焊…………………………………………………………………………19
第二章5083铝合金焊接缺陷
一、焊缝中的气孔……………………………………………………………………20
1、形成气孔的特点……………………………………………………………………20
2、氧化膜中水分的影响（已限制弧柱水分的响）…………………………………22
3、防止焊缝气孔的途径………………………………………………………………22
二、焊接热裂纹…………………………………………………………………………23
1、化合金焊接热裂纹的特点…………………………………………………………23
2、防止焊接热裂纹的途径……………………………………………………………23
3、变质剂的影响………………………………………………………………………24
4、焊接工艺参数的影响………………………………………………………………24
三、焊接接头的“等强性”……………………………………………………………24
一）非时效强化铝合金的软化问题……………………………………………………26
二）时效强化化合金的软化问题………………………………………………………26
1．采取措施……………………………………………………………………………26
四、焊接接头的耐蚀性…………………………………………………………………27
第三章5083铝合金焊接检测及返修
一、非破坏性检验…………………………………………………………………………28
1、外观检验……………………………………………………………………………28
2、致密性检验…………………………………………………………………………28
3、无损探伤检验………………………………………………………………………29
二、焊缝缺陷的返修……………………………………………………………………29
1、焊接缺陷的确定……………………………………………………………………30
2、焊接缺陷返修方案的制定…………………………………………………………30
3、焊接缺陷的清除……………………………………………………………………30
4、补焊…………………………………………………………………………………30
三、焊缝外观成型检验标准………………………………………………………………30
1、焊缝外观尺寸检验…………………………………………………………………30
2、焊接缺陷检验及处理措施…………………………………………………………31
第四章船舶结构和焊接工艺
1、焊接程序及坡口方向图…………………………………………………………33
2、船体焊缝布置……………………………………………………………………34
3、焊接工艺要求…………………………………………………………………34
4、船体焊接顺序的原则……………………………………………………………35
参考文献………………………………………………………………………………37
第一章5083铝合金焊接工艺
一、5083铝合金材料的分类及牌号
1、5083铝合金材料的分析
（1）5083铝合金规格介绍
5083铝合金铝板标准GB/T3880.2-2006。
5083板材规格：
0.3mm-350mm（厚度）
5083棒材规格：
3.0mm-500mm（直径）
5083线材规格：
0.1mm-20mm（线径）
5083铝合金为非时效强化铝合金，属于Al-Mg系（LF2～6、5000系列）
主要为Mg的固溶强化作用大于Mn,耐蚀性良好,Mg↑，强度↑，脆性β相
（Mg2Al3）↑，δ↓，耐蚀性↓
（2）5083铝合化学成分，见下表1
元素
Al
Si
Cu
Mg
Zn
Mn
Ti
Cr
Fe
成分
余量
≤0.40
≤0.10
4.0～4.9
≤0.25
0.40～1.0
≤0.15
0.05～0.25
≤0.400
（3）5083铝合的分类，见下表2
牌号
状态
厚度t
（mm）
规定非比例延伸强度Rp0.2（N/mm2）
抗拉强度
Rm（N/mm2）
最低断后伸长率A（%）
50mm
5d
5083
O
3≤t≤50
≥125
275～350
16
14
H111
3≤t≤50
≥125
275～350
16
14
H112
3≤t≤50
≥125
≥275
12
10
H116
3≤t≤50
≥215
≥305
10
10
H321
3≤t≤50
215～295
305～385
12
10
5083-H111，5表示为Al-Mg系，H111加工硬化状态：
最终退火后又进行了适量加工硬化。
主要用于折弯件用的板材。
2、5083铝合应用
（1）5083铝板是是高镁合金,在不可热处理合金中强度良好，耐蚀性、可切削性良好。
阳极化处理后表面美观。
电弧焊性能良好。
5083合金中的主要合金元素为镁，具有良好的抗蚀性与可焊接性能，以及中等强度。
优良的抗腐蚀性能使5083合金广泛用于海事用途如船舶，以及汽车、飞机焊接件、地铁轻轨，需严格防火的压力容器（如液体罐车、冷藏车、冷藏集装箱）、制冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹零件、装甲等。
（2）5083属于Al-Mg系合金,使用范围广泛,特别是建筑业离不开此合金，是最有前途的合金。
耐蚀性好，焊接性优良，冷加工性较好，并具有中等强度。
5083的主要合金元素为镁，具有良好的成形加工性能、抗蚀性、焊接性，中等强度，用于制造飞机油箱、油管、以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品、电器外壳等。
（3）AL-Mg系合金，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度高，特别是具有抗疲劳强度：
塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好，可切削性能不良，可抛光。
用途主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱，汽油或润滑油导管，各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件：
线材用来做铆钉
3、5083铝合金的焊接性
（1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。
阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。
铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。
焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。
在焊接过程加强保护，防止其氧化。
钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。
气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。
在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。
（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。
铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。
在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。
（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。
铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。
铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。
生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。
在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。
在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。
根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi條（硅含量4．5％～6％）焊丝会有更好的抗裂性。
（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。
高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。
在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。
弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。
因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。
（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
二、5083铝合金焊接工艺分析
1、5083铝合金焊接工艺的一般特点
（1）从物理性能方面的特点考虑
·铝及其合金导热性好、热容量和线胀系数大、熔点低、高温强度低，焊接困难；
·焊接时无颜色变化，难以确定焊接的坡口是否熔化，焊接操作难；
·Mg、Zn、Mn易蒸发，影响接头性能。
①焊接热源必须集中，以保证熔合良好；
②要采用垫板和夹具，以保证装配质量，防止变形；
（2）从化学性质上考虑
难熔氧化物易于形成夹杂物，而且还因为吸收水分造成焊缝气孔的产生。
①焊接之前严格清理焊丝和母材表面的氧化膜；
②加强保护，利用“阴极雾化”清理作用；（cleaningaction）
③气焊或其他熔化焊接方法，需用钎剂（氯化物等），具有腐蚀性，焊后应该立即彻底清除残渣。
（3）接头形式及坡口准备工作
①手工焊接：
厚度低于3～4mm内，自动焊接：
6mm以内不开坡口；
厚度低于3mm的接头，可以卷边焊接。
②主要考虑能够充分而有效的去除氧化膜。
三、5083铝合金焊接方法选择
几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。
气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。
气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。
焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。
惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。
铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。
铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。
熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）薄件仍可以采用气焊（需焊剂），大厚度铝件则采用电渣焊接有效。
氩弧焊接：
薄板多用TIG焊接；大于3mm多用MIG焊接。
TIG与MIG的对比，见下表3
1、TIG焊接方法
一般采用交流电源。
研究用于大厚度铝合金焊接的直流正接TIG焊（熔深大、成型好，气孔倾向小）采用双层气体保护。
2、MIG焊接法（DCRP）
MIG焊接通常使用直流电源焊接，电极（焊丝）连接到电源的正极，工件连接到电源的负极。
·IH一般大于临界电流值，获得稳定的喷射过渡电弧过程；
·板厚小于3mm，必须采用很细的焊丝，送丝难，一般不用MIG焊接；
·熔化极脉冲氩弧焊焊接薄板，1.6～2.0mm构件
热作用小，适于焊接热处理强化铝合金。
·IH大于300～400A，焊缝表面易于产生“皱皮”（Purkering）采用双层气体保护焊接可以解决。
四、焊接工艺参数的确定
主要根据接头的尺寸、形状和焊缝成型的要求，也必须考虑对气孔、裂纹和HAZ软化的影响。
IH与VH必须紧密的配合。
1、TIG焊接：
φ钨极一定，IH↑，VH↑，气体流量与焊接速度应该相应的调整，
功率一定，焊接速度与焊接厚度有关。
2、MIG焊接：
·VH可以大范围变动，0.15～1.5mm/min;
·V送丝可以更大范围变动，1.1～10mm/min;
·IH必须适当，关键是确定临界电流；
·层间温度↑，σ接头↓，δ↓，微裂纹倾向↑
规律：
Ic=75ds+20
IH一定，V送丝=V熔化
V送丝↑↑，粘丝现象（sticking）
V送丝↓↓，电弧拉长，烧喷嘴。
V送丝，UH～IH匹配关系：
图1
五、焊接材料
1、焊丝
铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性（通过弯曲试验）达到规定要求，对含镁量超过3％的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。
因而焊丝的选用主要按照下列原则：
⑴纯铝焊丝的纯度一般不低于母材；
⑵铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近；
⑶铝合金焊丝中的耐蚀元素（镁、锰、硅等）的含量一般不低于母材；
⑷异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝；
⑸不要求耐蚀性的高强度铝合金（热处理强化铝合金）可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi一1等（注意强度可能低于母材）。
2、保护气体
保护气体为氩气、氦气或其混合气。
交流加高频TIG焊时，采用大于99．9％纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。
MIG焊时，板厚<25mm时宜用氩气；板厚25mm～50mm时氩气中宜添加10％～35％的氦气；板厚50mm-75mm时氩气中宜添加l0％～35％或50％的氦气；当板厚>75mm时推荐采用添加50％～75％氦气的氩气。
氩气应符合GB／T4842?
995《纯氩》的要求。
氩气瓶压低于0.5MPa后压力不足，不能使用。
MIG焊接常用气体流量为18~20L/min。
3、钨极
氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。
纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。
在纯钨中加入1％～2％氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。
在纯钨中加入1.8％～2.2％的氧化铈（杂质≤0.1％）的电极为铈钨极。
铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。
锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。
六、5083的焊接接头口形式及其选择
1、焊接坡口的设计
构件焊接坡口应根据母材性能、结构形式、板材厚度、焊接方法、施工条件等因素进行设计。
通常应考虑下列因素：
（1）、坡口的断面积尽可能小，以减小焊缝金属填充量；
（2）、有利于减少残余焊接变形何应力；
（3）、避免产生缺陷；
（4）、便于坡口加工；
（5）、便于焊工的操作。
根据上述原则，焊接坡口的型式和尺寸可按CB/T3190选择。
2、焊接坡口的加工
船体结构的焊接坡口可采用机械刨削或等离子切割等方法进行加工，加工后的坡口应平整，无裂纹、分层、夹渣等缺陷。
坡口尺寸应符合图样或焊接工艺要求铝及铝合金焊接时，坡口一般采用机械方法加工，常见的坡口形式如下：
表4铝及铝合金被口形式和尺寸
焊接方法
项次
厚度T
（mm）
坡口名称
坡口形式
坡口尺寸
备注
间隙
（mm）
钝边
P（mm）
坡口角度
Α（β）（°）
手工钨极氩弧焊
1
1~2
卷边
—
—
卷边高度T+1不填加焊丝
2
＜3
I型坡口
—
—
单面焊
3~5
双面焊
手工钨极氩弧焊
3
3~5
V型坡口
0~2
1~1.5
70~80
（a）横焊位置坡口角度上半边40°~50°,下半边20°~30°;
（b）单面焊坡口根部内侧最好倒棱
5~12
2~4
1~2
60~70
4
4~12
带垫板V型坡口
3~6
—
50~60
5
＞12
X型坡口
0~2.5
2~3
60~80
6
≤6
不开坡口T形接头
0.5~1.5
—
—
续表4
焊接方法
项次
厚度T（mm）
坡口名称
坡口形式
坡口尺寸
备注
间隙（mm）
钝边P
（mm）
坡口角度（β）（°）
手工钨极氩弧焊
7
6~10
T形接头单边V型坡口
0.5~2
≤2
50~55
8
＞8
T形接头对称K型坡口
0~2
≤2
50~55
熔化极氩弧焊
9
≤10
I型坡口
0~3
—
—
10
8~20
V型坡口
0~3
3~4
60~70
11
8~25
带垫板V型坡口
3~6
3~6
50~60
熔化极氩弧焊
13
≥20
U型坡口
0~3
3~5
40~50
14
＞8
X型坡口
0~3
3~6
70~80
＞26
5~8
60~70
七、5083铝合金的清准备工作
1、焊前清理
焊缝坡口区域必须在装配或焊接前进行清理，具体要求如下：
（1）、清理的范围包括拼接的端面及接缝两侧宽度为15～20mm,
（2）、清理范围内必须清除水、油污、铁锈、氧化物、熔渣以及可能影响焊接质量的涂料。
涂有底漆的钢材如焊前未能将底漆清除应证明该底漆对焊接质量没有不良影响，并经船级社认可；
（3）、构件的焊缝坡口应打磨至清理范围内显露出金属光泽；
（4）、经清理后的接缝如未能及时焊接并因气候或其它原因影响而积水、受潮、生锈时，焊接前应重新清理。
铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。
常采用化学清洗和机械清理两种方法。
①化学清洗
化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。
可用浸洗法和擦洗法两种。
可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱洗3min～7min（纯铝时间稍长但不超过20min），流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1min～3min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。
②机械清理
在工件尺寸
升级会员 