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1、铝合金造船所涉及的材料和焊接,中国船级社上海规范研究所2003年8月,中国船级社China Classification Society,铝合金造船遇到的一些问题,1、铝合金材料简介2、铝合金材料选择3、铝合金焊接工艺4、铝合金焊接工艺评定5、铝合金焊工考试,1 铝合金材料简介,1、铝的一些基本物理性质2、铝合金种类3、铝合金的一些特点4、铝合金元素对性能的影响,1.1 纯铝与钢的基本物理性能,1.2 铝合金成份和性能,铝合金的成份组成 铝合金的交货状态 船用铝合金常用的交货状态,铝合金的成份组成,铝合金的交货状态,船用铝合金常用的交货状态,1.3、铝合金性能特点及其合金元素因素的影响,1.3
2、.1 铝合金的一些基本特点1.3.2 铝合金的强度与比强度1.3.2 铝合金的弹性模量1.3.3 铝合金的韧性1.3.4 合金元素对强度和塑性的影响1.3.5 合金元素对焊接性的影响1.3.6 合金元素对耐腐蚀性和疲劳强度的影响1.3.7 合金元素对弹性模量和密度的影响,铝合金的一些基本特点,较好的比强度较好的低温性能较好的加工性能较好的抗腐蚀性能,强度比钢材低熔点低线膨胀率大易氧化气体溶解度变化大,铝合金与其他金属材料强度的比较,铝合金与其他金属材料比强度的比较,铝合金与钢的应力-应变特性的差异,合金元素对强度、硬度和塑性的影响,合金元素对焊接性和阳极化性的影响,合金元素对抗腐蚀性和疲劳强度
3、的影响,合金元素对弹性模量和密度的影响,2 铝合金材料的选择,如何考虑铝合金材料的选择不适用铝合金的场合船用铝合金所需要的特点船级社规范规定的铝合金,2.1 选择材料的步骤,2.2 铝合金不适用的场合,使用温度超过200 或100 以上的承力结构在酸或碱的环境中在有隔热或绝缘要求时对磨损的特别要求的场合期望弹性变形较低时要求强度超过300MPa时,温度对强度和延伸率的影响(5083H112铝合金),2.3 船用铝合金所需要的特点,强度满足结构的需要良好的可成形加工性优异的焊接性海洋环境的抗腐蚀性材料易获得性良好的低温性能,材料成分对焊接裂纹的敏感性,合金元素对裂纹敏感性的影响,铝合金的电极电位
4、,普通钢材缺口韧性与温度的关系,铝合金的韧性与温度的关系,2.4 船级社规范规定的船用铝合金材料,船用铝合金的化学成分船用轧制铝合金的力学性能船用挤压铝合金的力学性能,船用铝合金材料的化学成份,船用铝合金轧制材料的力学性能,船用铝合金挤压材料的力学性能,3 铝合金焊接,铝合金结构焊接设计焊接所遇到的问题焊接方法的选择焊接材料的选择制造与焊接过程中需注意的一些问题,3.1 铝合金结构焊接设计（1）,设计的原理与钢材基本相同焊缝区域性能受焊接热循环的影响焊缝的强度一般以退火态确定一般不必考虑韧性和低温韧性尽量利用带板形材与其他金属连接产生的电化学腐蚀问题,铝合金焊接接头及其周围的力学性能,3.1
5、铝合金结构焊接设计（2）,考虑焊炬的可达性焊工的可目视性采用对接焊，避免搭接焊避免采用永久性衬垫合理采用双面连续焊和间断焊构件焊缝端部要注意包角焊长度,3.2 铝合金焊接所遇到的问题,金属外总有一层难熔的氧化物，其熔点(2000)比铝合金(560)高，其密度(3.85g/cm3)比铝合金大(2.7g/cm3左右)铝合金极易氧化导热数大金属的固态与液态色泽不易区别固态和液态的气体溶解度相差较大线膨胀系数大,氢在铝合金溶液中的溶解度,3.3 铝合金焊接方法的选择,铝合金的牌号接头的质量焊件厚度产品结构生产条件,能量集中焊接速度快操纵方便保护性好成本低,不同焊接方法的特点,铝合金惰性气体保护焊适用范
6、围,电源极性对焊接的影响,3.4 铝合金焊接材料的选择,强度塑性抗腐蚀性与母材相容易获得价格低,美国常用焊接材料的成份,美国焊接学会的铝合金焊接材料选择指南,欧洲铝业协会推荐的焊接材料选择,保护气体的成份,3.5 制造过程中应注意的一些问题,铝合金的储存与搬运铝合金加工焊接前的清洁焊接衬垫装配与固定焊接顺序焊接中的注意事项焊后检查与缺陷修补腐蚀问题,铝合金储存的注意事项,在使用前不要随意拆去包装避免被油、脂等有机物沾染避免与其他金属混合储存保持干燥，避免结露防止与有挥发性的化学物质一起混放,避免与其他金属碰撞、刮擦防止吊装时材料变形搬运过程中同样需要避免储存需要避免发生的问题,铝合金的搬运过程
7、中的注意事项,铝合金的机加工,氧乙炔切割不能用于铝合金的切割剪、锯、刨、铣、等离子切割均可用对剪切和等离子切割的材料，应考虑边缘加工(打磨)用于铝合金加工的工具应避免混用于其他金属加工,铝合金的焊前准备,除去油、脂、水、污物。对重污染的情况可采用化学清洗的方法焊前可用不锈钢丝刷、氧化铝砂纸打磨焊接区域外表面可适当予以保护(防飞溅)焊接施工区域应遮风挡雨输气管道可考虑加热装置低温情况下，要考虑预热,接头清洁度对气孔的影响,重污染后的化学清洁,除油丙酮等有机溶剂碱洗 510%的NaOH溶液在5060度下浸45min用清水洗净用2530%的HNO在室温下中和纯化13小时用清水洗净用净洁的压缩空气吹干
8、,铝合金的焊接衬垫,尽量避免使用永久性衬垫当使用永久性衬垫时，衬垫本身也应与结构一件清洁背面要尽可能在背面用角焊缝封底，以防潮湿积聚引起腐蚀当采用临时衬垫时：最好采用不锈钢的，不排除铝、陶瓷、普通钢材作为临时衬垫避免使用铜垫,铝合金的装配与固定,避免强力安装，保证装配精度，减少间隙以中心面对准或以某一面对准，避免错位针对具体情况采用工夹具、点固焊和定位板定位焊的质量应与结构焊接相同点固焊的数量应适当，并有一定的长度应尽量减少定位板的使用使用定位板宜有一定的方向变化去除定位板不能用锤击法强力打掉（宜采用切割打磨的方法）,铝合金焊接顺序,对密集性多条焊缝：从中心逐渐向四周先焊船体内侧，再焊外侧，以
9、中心到两边尽量少留坡口间隙焊缝的焊道数量减少采用高密度能量，快速焊接的方法长焊缝采用分中对称焊或分步退焊法,典型船体外板的焊接顺序,长焊缝的分步退焊,铝合金焊接,焊接预热一般是不需要的，以避免产生热裂纹道间温度不超过60 采用引弧板和熄弧板。即使中断后再焊接也可考虑在焊缝上用引、熄弧板采用间断焊时，要注意填满弧坑挖孔焊时，要注意孔的开的大些，以免保护不到位，产生缺陷镁合金含量小于3%对热处理后的产生腐蚀裂纹的敏感性较大,焊后检查,外观检查可借助3至5倍的放大镜不允许裂纹、夹钨、未填满存在不允许表面气孔、过烧、焊瘤存在表面形状和焊脚尺寸满足要求咬边：对小于3mm，不允许存在；大于3mm，则应深度
10、不大于0.5mm，长度不超过100mm无损检测的方法需要事先得到接受对接焊用超声波或射线角接缝用渗透,典型的焊缝缺陷,裂纹,铝合金裂纹主要为热裂纹原因为：合金本身的开裂倾向填充金属的匹配性焊接过程中的拘束度特征：在焊缝的中间（较多在弧坑处）措施：提高焊速、母材预热、改变熔池形状,不同铝合金的热裂纹倾向,气孔,铝合金缺陷中气孔最为常见原因为：焊件或焊丝清洁不彻底焊速过快保护效果不良特征：在焊缝的中间，内壁光滑措施：加强工件与焊丝的清洁，加大保护气体流量，降低焊速,不同场合中氢气孔的敏感性,焊缝外形对疲劳性能的影响,气孔对疲劳强度的影响,未焊透,原因为：电流太小，电弧过长，焊速太快间隙太小，纯边过
11、大，坡口角度太小层间存在氧化物特征：在断面处可清晰看到措施：正确选择焊接规范合理选择坡口形式加强焊前清理和焊接保护,成形差,原因为：电弧不稳定电极受污染气体保护不充分焊接电流选择不发措施：保护正确的电弧长度清理电极，选择合适的电极尺寸及倒角尺寸正确选择保护气体流量，加强熔池的保护调整灶接规范,缺陷修补,要精确确定焊缝中的缺陷位置清除焊缝缺陷要用机加工的方法清除焊缝缺陷时要防止清除过程中掩盖缺陷气候寒冷，焊补段短，厚度大，可考虑预热在修补焊缝时，起弧熄弧时，可考虑在焊缝表面装引弧和熄弧板缺陷上重新焊接应予以避免火工校正不适用于铝合金材料,腐蚀问题,主要是耐大气腐蚀铝合金的腐蚀形态主要为电化腐蚀抗
12、腐蚀的措施选择材料(5000系列)涂装保护异种金属绝缘隔离异种金属间的连接焊接设备的导电不当会引起铝合金的电化腐蚀表面,典型的铝钢结构连接(螺栓连接),不锈钢或镀锌螺栓不锈钢或镀锌螺母弹簧垫圈氯丁橡胶衬垫尼龙垫圈密封材料,钢铝爆炸成形接头的典型应用,4 铝合金焊接工艺认可与焊工考试,工艺认可的程序对接焊工艺认可试验角接缝工艺认可试验对接焊试验的要求角接焊试验的要求工艺试验的适用范围,4.1 工艺认可的程序,对整个需要焊接的结构，按构件材料、焊接材料、焊件厚度、焊接方法、焊接位置等进行分类，提出适用的焊接工艺对没有认可的工艺，应提交工艺规程按工艺规程进行焊接工艺试验根据试验结果认可工艺规程试验不
13、合格的，要修订工艺规程，再试验，直到合格,4.2 对接焊工艺认可试验,按工艺要求装配、清洁坡口、固定焊接位置、按工艺要求施焊观察焊缝成形，无损检测取样(2横向拉伸、2个正弯、2个反弯(厚度大于12mm，则可为4个侧弯)、1个宏观)，进行试验根据试验结果，进行评定,试板尺寸,卷缠弯曲试验,4.3 角接焊工艺认可试验,按工艺要求装配、清洁坡口、固定焊接位置、按工艺要求施焊观察焊缝成形，无损检测(渗透检测)取样(2个宏观(其中1个包含接头)，2个断裂)，进行试验根据试验结果，进行评定,试板尺寸,4.4 对接焊试验要求,外观检验，均匀、无明显的缺陷抗拉强度满足规范规定弯曲180(D=3t，6t 或7t
14、，依材料而异)，无超过3mm的裂纹。无损检测：无裂纹、未焊透、未熔合，气孔和夹杂等 20%t或 2mm，取小者宏观断面：裂纹和未焊透等缺陷,4.5 角接焊试验要求,外观检查：焊波均匀，无明显的缺陷，同时要记录焊脚尺寸、熔透情况和焊缝有效厚度渗透检测：无裂纹、气孔等缺陷折断检查：无裂纹；气孔和夹渣也在规定的范围内(小的圆形缺陷面积不超过6%)宏观断面：与折断检查一样要求,4.6 工艺认可试验的适用范围,母材应与结构材料同组材料厚度焊接材料：较高强度材材覆盖较低强度材料焊接位置：按施工位置考核温度：预热温度为最小，道间温度为最大焊接电流：形式和极性不能改变不涉及焊后处理,5 铝合金焊工考试,焊工要
15、求的差别色泽差异小，需要丰富的经验板薄、变形大，易烧穿对保护要求较高焊工考试的一般原则与钢焊接考试的基本相同要注意考试时的试件尺寸差异和试样弯曲角的不同,5.1 焊工考试的要求和一般原则,5.2 铝合金焊工考试的试件差异,板试件,管试件,5.3 铝合金焊工考试试件评定,表面成形良好，过渡平顺、宽度均匀表面无裂纹、未熔合、夹渣、孔、焊瘤咬边深度0.5mm，总长0.1L(板)或0.2L(管)单面焊双面成形，无未焊透，但允许深度0.1t(且1.5mm)，长度0.1L的局部内凹，背面焊瘤3mm焊缝余高3mm(平焊)，4mm(其他位置)焊缝宽度不超过坡口宽度2.5mm弯曲试样的受拉方向上无超过3mm的张开型缺陷,请各位专家批评指正,谢谢！,
