铝合金船舶焊接工艺毕业设计.doc

安徽机电职业技术学院毕 业 设 计5083铝合金船舶焊接工艺毕业设计系 别 机械工程系 专 业 焊接技术及自动化 班 级 焊接3112班 姓 名 学 号 1203113083 20132014学年 第一学期1目录摘要3引言3第一章 船舶结构及铝合金的特性31.1 我国造船焊接技术的发展概况31.2 船舶结构31.3 铝合金简介31.4 铝及铝合金的分类31.5 铝合金焊接特性3第二章 铝合金5083性能及焊接特点32.1 铝合金5083的性能32.2 铝合金5083的焊接性32.3 铝合金焊接的主要特点32.4 合金5083特性及适用范围3第三章 铝合金焊接方法的选择33.1 铝合金焊接方法33.2 焊接方法的确定3第四章 焊接设备及工艺34.1 焊接设备34.2 焊接工艺3第五章 铝及铝合金MIG焊焊接接头缺陷及防止措施分析35.1 焊缝成形差35.2 裂纹35.3 气孔35.4 烧穿35.5 未焊透35.6 未熔合35.7 夹渣3第六章 合金船舶建造装焊工艺36.1 分段装焊工艺36.2 总段装焊工艺3结论3致谢3参 考 文 献3摘要本文主要介绍了5083铝一镁合金船舶的焊接的方法与工艺，并采用MIG焊进行5083铝一镁合金焊接船舶及工艺试验研究的情况。介绍了焊接铝合金的主要规范参数和工艺控制要点和MIG焊的设备选择并对焊接过程中易出现的焊接缺陷进行了分析，提出了消除焊接缺陷的方法和措施。并针对船舶装焊工艺进行了深入的了解和详细的阐述。使我们充分的认识到在建造中铝合金所占得重要性。关键词：5083铝合金 船舶 MIG焊 引言随着我厂经营开发范围的拓展，在某游艇及微型中轻型船舶产品设计制造中，其船体部分都采用了合金铝材料，则铝合金焊接技术有着越来越重要的地位。众所周知，铝合金具有重量轻，比强度高及抗腐蚀性能好等特点，运用于军事，造船，航空，航天，然而，铝合金在焊接过程中容易产生气孔，裂纹，夹渣等缺陷，阻碍了铝合金的焊接制造进程，其发展速度与制造水平很不平衡，如何能更好解决铝合金的焊接缺陷这个难题，是推动我厂铝合金技术发展的个关键的环节，通过对5083铝镁合金焊接研究，对铝合金的焊接有个基本的认识，也通过本文，对在今后的技能培训指导中如何使焊工更快更牢固的掌握铝合金焊接的基本知识、操作技能，更好的应用于生产中。目前用于铝合金焊接的常用焊接方法有：交流钨极氩弧焊(提高)和直流反极性熔化极气体保护焊(MIG)。提高焊由于采用交流电，钨极烧损严重，焊接效率低，因此适用于薄件铝合金的焊接。MIG焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接。MIG焊时，焊丝作为阳极，可采用比TIG焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，故特别适合于中厚板铝合金的焊接。实验研究发现，在铝合金MIG焊时，脉冲电流焊接优于连续电流焊接，采用脉冲电流可以提高热输入的利用率，降低焊接电流，减少焊接变形。同时能够提高电弧的稳定性、改善焊接成形和增加熔深。我厂承接的铝合金船使用的材料主要是5083铝一镁合金，根据MIG焊的优点，施工基本t采用脉冲MIG焊。为提高5083铝镁合金的MIG焊的焊接质量，对脉冲MIG焊的特点、操作方法和焊接过程中易出现的焊接缺陷进行分析的研究，就显得很有必要。近年来，国际船舶市场呈现出空前兴旺的态势，我国船舶工业也持续呈现出强劲势头，2004年造船完工达850多万吨，约占世界份额的14%，2005年的造船产量超过1000万载重吨，约占世界份额的18%，2006年第一季度，全国船舶工业造船完工289万载重吨，同比增长90%。中国已连续10年为世界第三大造船国。10年间，中国造船业占世界造船市场的份额从不到6%扩大到了11%以上，十五期间中国造船产量年均增长30%以上，大大高于世界造船总量的增长速度，也远远高于日、韩等主要造船国的增长速度。同时，国内船舶业在技术上也已经有很大进步；自主设计的30万吨超大型油轮（VLCC）已累计承接订单25艘，自主开发的17.5万吨绿色环保型散货船已成为国际品牌，成功开发并建造了万箱级超大型集装箱船，为进入万箱级船市场打下基础；攻克大型液化天然气（LNG）船关键建造技术，进入了这一尖端高技术船舶市场；成功开发和建造了30万吨级以上浮式生产储油轮（PPSO）和大型自升式钻井平台等多型海洋工程装备；国内首台VLCC主机实现了国产化，大型船用低速柴油机曲轴实现了自主制造，并获得了65根的订单；自主设计制造的超大型锚绞机达到了世界先进水平，并批量承接VLCC和8530TEU集装箱船的大型锚绞机共17台.然而，与先进的发达国家相比，我国造船业规模虽大，利润却很低，与国外造船业先进水平还相差较大。中国船舶工业中长期发展规划中明确提出2010年我国造船总量达到世界总量的25%，2015达到30%；2010年船舶配套率达到60%,2015年达到80%。2010年船用柴油机产量达到600万马力，2015年达到800万马力。为实现这一目标，我国造船业不仅仅要扩大规模，更要依靠先进的造船技术，促进自主创新，坚持科学发展，重点引进消化吸收模块化船装、采用新材料、高效焊接、切割等船舶建造关键技术和现代化造船生产管理技术，转化生产方式，提高建造技术水平和生产效率，拓展船舶工业发展空间。第一章 船舶结构及铝合金的特性1.1 我国造船焊接技术的发展概况 我国造船焊接技术从50年代初开始引入手工电弧焊条起步，50年代中期又从前苏联引进先进高效埋弧自动焊、半自动焊接技术；50年代末期70年代又陆续试验成功并应用了半自动CO2气体保护焊、重力焊、下行焊、垂直和横向气体保护自动焊，各种衬垫单面焊双面成形等高效焊接工艺。但是由于当时的焊接设备、材料的配套问题以及企业管理制度不适应等因素，这些高效率焊接工艺方法在70年代未能在生产中推广应用，常规手工电弧焊的应用比例平均达到85%，埋弧焊的应用比例仅为13%，其它高效焊接应用比例之和约为2%。 80年代初期，我国的船舶工业遇上了建造出口船的机遇，所建造的船舶产品进入了国际船舶市场，建造出口船舶必须按照国际规范要求建造，一些传统的工艺技术不能满足国际船舶的要求，其中主要矛盾是焊接工艺和焊接生产效率明显落后于生产发展。出现了大量的分段装配后焊接跟不上，形成卡脖子的局面，为了尽快改变这一被动局面，当时刚成立不久的中国船工业总公司作出了重要决定，成立了船舶工业总公司高效焊接技术指导组，制定了大力发展高效焊接技术、更新焊接设备的方针。在全国的船舶系统内向船厂全面推广应用高效铁粉焊条、下行焊条、重力焊条、半自动CO2气体保护，气保护垂直自动焊，各种衬垫单面焊等高效焊接工艺，淘汰旋转式直流焊机，推广应用节能型焊接设备，提高造船焊接技术的水平和生产效率，降低焊接电能消耗，缩短造船周期，增加了企业经济效益。 十多年来，在上级领导和各船厂企业人员的共同努力下，船舶焊接技术获得了飞跃发展，在缩短造船周期、降低生产成本、提高产品质量、扩大造船总量等方面做出了突出的贡献，出现了一批具有代表性的江南型、沪东型、大连型产品，船舶出口获得各国船东的好评，取得了较好的经济效益，同时也逐步形成了船舶工业的一个新的经济增长点。1.2 船舶结构船舶结构随着船舶类型的不同而不同，对于钢结构船舶来说，全船结构分为主船体和上层建筑两部分。主船体是由船舶外板和连续的上甲板包围起来的水密空心结构。主船体部分有船首部、中部、尾部组成。每一部分都是由船底、舷侧、上甲板形成水密的空心结构。在主船体空心结构内部又用水平的与垂直的隔壁分隔成许多舱室。其中，首尾贯通的水平隔壁称下甲板，垂直的隔壁称为舱壁。安装在船宽方向的舱壁称为横舱壁，安装在船长方向的舱壁称为纵舱壁。为了加强船体首尾端结构，在首尾端设置有首尾柱。上层建筑是指上甲板以上的各种围壁建筑物，上层建筑部分有首楼、桥楼、尾楼、甲板室及各种围壁建筑。1.3 铝合金简介以铝为基的合金总称。对铝进行合金化，铝合金保持了纯铝的基本物化性能。如相对密度小、导电、导热、耐蚀性好等，且强度有了大幅度上升。 纯铝的密度小（=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们常加入的主要合金元素有铜、镁、硅、锌、锰、锂，辅加的微量元素有钛、钒、硼、镍、铬、稀土金属等，杂质元素有铁等合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。这样使得其胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上.不同的合金元素在铝合金中形成不同的合金相，起着不同的作用。主要合金元素在铝中的极限溶解度见表1：表1 主要合金元素在铝中的极限溶解度w元素ZMgCuLiMnSiCrVClTiZrCa82.217.45.64.21.821.650.720.60.471.150.280.1铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，铝合金冷变形和热处理后，抗拉强度可达500-600Mpa，相当于低合金钢，广泛应用于结构材料，使用量仅次于钢。在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多。 1.4 铝及铝合金的分类铝合金按加工方式分为两大类，即变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金的分类通常采用三种分法。一是按合金的性能和用途分为：抗腐蚀铝合金、可焊铝合金、高强铝合金（硬铝）、超高强铝合金（超硬铝）、锻造铝合金及特殊铝合金；二是按热处理特点分为：热处理不强化铝合金（1000、3000、5000系列以及4000系列的大部分）和热处理强化铝合金（2000、6000和7000系列）；三是按合金主要成分分为：工业纯铝（1000系列）、Al-Cu系（2000系列）、Al-Mn系（3000系列）、Al-Si系（4000系列）、Al-Mg系（5000系列）、Al-Mg-Si系（6000系列）、Al-Zn-Mg系（7000系列）及Al-其他元素（8000系列）。综合考虑铝合金强度、挤出性能、焊接性能等各种因素，渡河装备中应用的铝合金将主要是6000系列和7000系列。6000系列合金含有与形成Mg2Si的比例近似的镁与硅，从而使本系合金成为热处理强化铝合金。本系中的最主要合金是6061，它是最常用的热处理强化铝合金之一。尽管该合金的强度比2000系列和7000系列中的大多数合金的低，但含Mg2Si合金具有良好的成形性，并且具有中等强度。7000系列合金中锌是主要合金元素，加入少量镁时，就形成了强度最高的热处理强化铝合金。不含铜的Al-Zn-Mg系合金的主要特点是焊接性能优良，具有良好的自淬火效应，适于制造焊接后不需要热处理的大型零部件。但是，镁和锌的含量如在6以上，自淬火效应即消失，对应力腐蚀的敏感性大。就目前我国的铝合金挤压生产能力，6000系列合金有较好的挤出性能，它能挤出复杂及封闭的截面形式，这在重型渡河装备承载甲板的应用上是很受欢迎的。7000系列合金因其较高的挤压比而不能挤出封闭截面，这样势必增加焊接量，对承载甲板的受力和加工都不利。所以，承载甲板适合采用具有良好挤出性能的6000系列合金，而7000系列合金可用于其他部位。这就涉及到6000系列合金、7000系列合金以及两个系列合金之间的焊接问题，焊接质量的高低将直接影响重型渡河装备的承载能力，所以有必要对铝合金的焊接特性进行深入研究。1.5 铝合金焊接特性随着可焊系列铝合金材料的发展，国内外铝合金船体及上层建筑已广泛采用焊接结构，船用铝合金的焊接技术是我国现代造船业发展的关键技术之一。与钢铁材料相比，由于铝合金具有独特的物理化学性能，因此在焊接过程中存在以下特点：1、强的氧化能力 铝和氧的亲和力很大，在空气中铝容易与氧结合生成紧密结实的Al2O3薄膜（厚度约0.1m）。这层薄膜的熔点高达2050，远远超过铝合金的熔点，密度3.954.10kg/m3，约为铝的1.4倍，在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍基体金属的熔化及彼此之间的良好结合，并易造成夹渣。而且氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝形成气孔等缺陷，从而降低了焊接接头的力学性能。因此，为保证焊接质量和良好的焊接接头性能，焊前必须严格清理焊件表面的Al2O3薄膜，并在焊接过程中防止熔池继续受到氧化，对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护。这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。2、高的热导率和导电性 铝及铝合金的热导率、比热容、熔化潜热等都很大，热导率为225.3【W/（mK）】，约比钢大1倍多。在焊接过程中，大量的热能被迅速传到基体金属内部，因此焊接铝及铝合金时比钢要消耗更多的热量。为了达到高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，有时需采取预热等工艺措施。3、热裂纹倾向性大 铝的线膨胀系数为23.510-8/，约为钢的两倍，凝固时的体积收缩率达6.56.6，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的收缩内应力而产生热裂纹。这是铝合金，尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。生产中常采用调整焊丝成分的方法防止裂纹的产生，采用合理的焊接工艺对于防止热裂纹的产生也是有利的和必须的。4、容易形成气孔 焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时易产生的另一个常见的缺陷。氢是熔焊时产生气孔的主要原因。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，高温下溶入的大量氢气，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。弧柱气氛中的水份、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水份都是焊缝中氢的主要来源。因此，焊接前必须严格清理，并合理选择焊接工艺防止气孔的产生。5、高温下的强度和塑性低 在高温下铝的强度和塑性很低，以致不能支承住液体金属而使焊缝成形不良，甚至形成塌陷（或烧穿）缺陷。因此，一般情况下需要用夹具和垫板。6、合金元素的蒸发和烧损 某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌等，这些元素在高温火焰或电弧的作用下极易蒸发、烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，同时也降低了焊接接头的性能。7、焊接热对基体金属的影响 焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影响，会使基体金属近缝区某些部位的力学性能下降。对于冷作硬化的合金也是如此，使接头性能弱化，并且焊接线能量越大，性能降低的程度也愈严重。8、无色泽变化 铝及铝合金从固态变成液态时，无明显的颜色变化，因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。总之，传统的熔焊方法（如火焰、电弧、等离子体弧等）热源发散，功率密度较低，焊接速度低，热输入量大，导致热影响区宽、焊缝晶粒粗、接头性能差、焊接变形量大。由于铝合金的这些特殊的焊接特性，需要与之适用的先进的焊接方法。第二章 铝合金5083性能及焊接特点2.1 铝合金5083的性能2.1.1、物理性能5083物理性能，主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列.在常规工业中应用也较为广泛。在我国5000系列铝板属于较为成熟的铝板系列之一，见表2；表2 5083铝合金物理性能熔点t/电阻率/nm线膨胀系数a/m/ (m k)导热系数/W/m k密度/g/m57459.526.01202.662.1.2、力学性能5083铝合金力学性能见表3；表3 5083铝合金力学性能性能指标抗拉强度b (MPa)条件屈服强度0.2 (MPa)伸长率10 (%)伸长率5 (%)试样尺寸性能指数2701102012所有壁厚2.1.3、化学成分5083铝合金化学成分见表4；表4 5083铝合金化学成分化学成分（质量分数）AlSiCuMgZnMnTiCrFe余量0.400.104.04.90.250.401.00.150.050.250.000 0.4002.2 铝合金5083的焊接性1、5083铝合金属于AL-Mg系列合金，根据5083铝合金的化学成分分析可知：5083铝合金含Mg和Mn元素较高，其抗脆性、抗蚀性、可焊性较好。由于Mn元素的含量较多，可以提高铝合金的力学性能，又不使合金抗腐蚀下降，同时提高了5083铝合金的焊接性。同时加入Mn元素能使含Mg元素相分布均匀，提高强度、抗蚀性。2、由于铝合金的化学活泼性很强，表面易形成氧化膜，且多属于难熔物质。焊接时易产生夹渣等缺陷。3、铝合金热导率大（约为钢的4倍），加之其热导率较大，焊接时容易造成未熔合现象。4、由于铝合金的热膨胀系数约为钢的2倍，相反其弹性模量却只有钢的1/3，焊件易产生较大的热应力，导致变形及裂纹。5、气孔是焊接5083铝合金过程中常见的缺陷。而氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因。焊接时，氢的来源有两个方面：一是弧柱气氛中的水分；二是焊丝及母材表面氧化膜吸附的水分。为此，焊接铝镁合金时，焊前必须仔细清除坡口附近的氧化膜，保持焊丝及母材干燥。2.3 铝合金焊接的主要特点1、铝合金有强的氧化能力。铝与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生成致密牢固的薄膜，2熔点高达，远远超过铝合金的熔点（约），且密度大，约为铝的1.倍，在焊接过程中，薄膜会阻碍金属之间的良好结合并易造成夹杂。而且O还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔；2、热导率大（约为钢的倍），导电性好，焊接时若要达到与钢相同的焊速，则焊接线能量要比焊钢时大倍；3、热裂纹倾向性大，焊接变形大，铝合金的热膨胀系数约为钢的倍，相反其弹性模量却只有钢的，焊件有产生较大的热应力，导致变形及裂纹的倾向；4、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，晶粒易粗大，导致铝合金焊接接头的强度降低。2.4 合金5083特性及适用范围5083铝材是高镁合金,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铝材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。5083铝材属于Al-Mg-Si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铝材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。 AL-Mn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，如邮箱，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。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。 优良的抗腐蚀性能使5083船用铝板材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。铝镁合金种类铝镁合金铝板又可称为5000系列合金铝板，其代表有5052铝板、5005铝板、5086铝板材、5083铝材料、5754铝板，5A02铝板，5A05铝板等。铝镁合金铝板合金元素主要是镁，含镁量在3-5%之间。主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列.。故常用在航空方面，比如飞机油箱。在常规工业中应用也较为广泛。加工工艺为连铸连轧，属于热轧铝板系列故能做氧化深加工。在我国5000系列铝板属于较为成熟的铝板系列之一。第三章 铝合金焊接方法的选择3.1 铝合金焊接方法目前，铝合金的焊接主要有以下几种方法：氩弧焊、搅拌摩擦焊、激光焊和激光-电弧复合焊等。其中工业中广泛应用的是MIG焊，搅拌摩擦焊主要用于船舶中型材和平板对接件的焊接，激光-电弧复合焊和激光焊在实验室中研究较多，未来将会在工业中得到越来越广泛的应用。3.1.1、氩弧焊铝合金常用的焊接方法是钨极惰性气体保护焊（以下称TIG）和熔化极惰性气体保护焊以下称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，改善融合性。日本在1953年就采用TIG焊焊接5083铝合金，厚度约为3.03.5mm。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，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快，焊件变形壁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。美国在1995年曾用MIG自动焊接5083、6061等材料，厚度可达2532mm，韩国也采用MIG焊成功实现了铝合金船的焊接。传统的铝合金钨极氩弧焊（TIG）焊接热输入大、焊接速度慢，在焊缝呼气附近产生较高的峰值温度和较宽的热影响区，使焊缝金属盒附近母材产生实效，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，有效的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焊焊接接头还具有更高的疲劳性能。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量小，因而对产品整体质量的保证也极为有利。经过几年的法杖，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的发展。而船用铝合金MIG焊主要缺点有：由于热输入量仍然偏大而引起较大的焊接变形，影响船舶制造质量；由于焊后板材变形大，往往需要较长的矫正时间，大大影响了生产效率和生产质量；焊接速度一般在0.5m/min以下，生产效率低。3.1.2、搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头的告诉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。搅拌摩擦焊已经被证明在诸多方面优于熔焊方法，尤其在轻合金方面，搅拌摩擦焊具有明显的优越性：固相焊接方法，不存在凝固裂纹和气孔等缺陷；无变形焊接技术；不需要焊丝和保护气体；焊接过程没有烟尘、飞溅和UV辐射；容易实现自动化的一种机床焊接技术；全位置焊接技术；优异的接头力学性能；绿色焊接技术-节省能源。它能焊接所有的铝合金。搅拌摩擦焊也有局限性：焊接末尾通常有匙孔存在；焊接力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比缺少焊接柔性；不能实现搷丝焊接。3.1.3、激光焊激光被认为是21世纪的新能源。光焊接是一种高效、快速、先进的焊接方法，其功率密度可达105107W/cm2,其优点在于：热输入集中、焊接速度快、热影响区小、工件变形小、低噪声、低烟尘、焊接质量好，故激光焊接铝合金有极大的优越性。另外，激光焊接还有一些局限：（1）由于激光焦点直径相对较小，要求焊接装卡对位精度高，焦点位置和激光束相对加工对象的偏移量要求限制在很小的范围内。（2）激光器及其加工配套系统结构复杂，成本高，一次性设备投入较大。针对铝合金的激光焊接主要有以下的难点：一是铝合金表面反射问题，研究表明，对CO2激光和YAG激光，铝合金表面在室温时的初始反射率在90%以上，远远高于钢等黑色金属；二是铝合金激光焊接在焊透的情况下过程的稳定性差，表面成形不好，焊缝易出现下榻和孔洞等缺陷。3.2 焊接方法的确定目前用于铝合金焊接的常用焊接方法有：交流钨极氩弧焊(TIG)和直流反极性熔化极气体保护焊(MIG)。TIG焊由于采用交流电，钨极烧损严重，焊接效率低，因此适用于薄件铝合金的焊接。MIG焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接。MIG焊时，焊丝作为阳极，可采用比TIG焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，故特别适合于中厚板铝合金的焊接。实验研究发现，在铝合金MIG焊时，脉冲电流焊接优于连续电流焊接，采用脉冲电流可以提高热输入的利用率，降低焊接电流，减少焊接变形。同时能够提高电弧的稳定性、改善焊接成形和增加熔深。我厂承接的铝合金船使用的材料主要是5083铝一镁合金，根据MIG焊的优点，施工基本t采用脉冲MIG焊。为提高5083铝镁合金的MIG焊的焊接质量，对脉冲MIG焊的特点、操作方法和焊接过程中易出现的焊接缺陷进行分析的研究，就显得很有必要。3.2.1、MIG焊的焊接方法与TIG焊相比，MIG焊可焊的铝合金厚度明显增大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。 MIG焊用于焊接铝及铝合金时通常采用直流反极性，焊接薄、中等厚度板材时，可用纯Ar作保护气体；焊接厚大件时，采用（Ar+He）混合气体，也可采用纯He保护。焊前一般不预热，板厚较大时，也只需预热起弧部位。脉冲MIG焊可以将熔池控制的很小，容易进行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊缝、仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法。脉冲MIG焊电源是直流脉冲，脉冲TIG焊的电源是交流脉冲。1、MIG焊原理和TIG焊不同，MI G（MAG）焊采用可熔化的焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属。焊接过程中，保护气体-氩气通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化应以熔滴形式过渡到焊池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。原理示意图见图1；原理示意图12、MIG焊特点 和TIG焊一样，它几乎可以焊接所有的金属，尤其适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金以及不锈钢等材料。焊接过程中几乎没有氧化烧损，只有少量的蒸发损失，冶金过程比较简单。 劳动生产率高 MIG焊可直流反接，焊接铝、镁等金属是有良好的阴极雾化作用，可有效的去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。 不采用钨极，成本比TIG焊低；有可能取代TIG焊。 MIG焊焊接铝及铝合金时，可以采用亚射流熔滴过渡方式提高焊接接头的质量。 由于氩气为惰性气体，不与任何物质发生化学反应，所以对焊丝及母材表面的油污、铁锈等较为敏感，容易产生气孔，焊前必须仔细清理焊丝和工件。 3、MIG焊的应用MIG焊适合于焊接低碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢、非铁金属其合金。低熔点或低沸点金属材料如铅、锡、锌等，不宜采用熔化极惰性气体保护焊。目前在中等厚度、大厚度铝及铝合金板材的焊接中，已广泛地应用了MIG焊。MIG焊可分为半自动焊和自动焊两种。自动MIG焊适用于较规则的纵缝、环缝及水平位置的焊接；半自动MIG焊大多用于定位焊、短焊缝、断续焊缝以及铝容器中封头、管接头、加强圈等工件的焊接。第四章 焊接设备及工艺4.1 焊接设备手工熔化极氩弧焊设备由焊接电源、送丝系统、焊枪、供气系统、供水系统组成。自动熔化极氩弧焊设备则由焊接电源、送丝系统、焊接机头、行走小车或操作机（立柱、横臂）和变位机及滚轮架、供气系统、供水系统、控制系统组成。熔化极气体保护自动氩弧焊设备系统如图2所示。现在，国内外MIG焊设备已相当成熟，有的相当完善和先进，可考查选购，无需自制。但对焊接电源、送丝系统、焊枪形式及结构应予以特别图2熔化极自动氩弧焊设备组成（行走小车型）-一次电源输入-焊件插头及连线-供电电缆-保护气输入-冷却水输入-送丝控制输入-冷却水输出-输入到焊接控制箱的保护气-输入到焊接控制箱的冷却水-输入到焊接控制箱的220v交流11-输入到小车控制箱的220V交流12-小车电动机控制输入4.1.1、焊接电源熔化极气体保护焊通常采用直流焊接电源。老式电源有电动机-发电机组，现只用于缺电的野外现场。常用电源有变压器一整流器，新式电源为逆变电源。焊接电源的额定电流通常要求50500A，特种应用要求1500A。空载电压要求5585V。电源的负载持续率在60%100%范围内。MIG焊电源的外特性和动特性都很重要。1、焊接电源的外特性MIG焊有三种外特性的焊接电源，即平特性（恒压）、陡降特性（恒流）和缓降特性。当保护气体为惰性气体（如纯Ar），焊丝直径小于1.6mm时，广泛采用平特性电源并配以等速送丝系统，此时可通过改变电源空载电压来调节电弧电压，通过改变送丝速度来调节焊接电流，故焊接参数调节非常方便。平特性电源有较强的自调节作用，弧长的变化可引起电流的较大变化，同时短路电流较大，引弧比较容易。 当焊丝直径较大(大于2mm)时，一般采用下降特性电源并配用变速送丝系统。此时，由于焊丝较粗，电弧的自调作用较弱，弧长变化后恢复速度慢，单靠电弧的自调作用难以保证焊接过程稳定，需外加弧压反馈电路，将电弧电压（弧长）的变化及时反馈到送丝控制电路，调节送丝速度，使弧长能及时恢复。采用亚射流过渡形式在焊丝直径小于1.6mm的情况下焊接铝合金时，电弧的固有自调能力很强。由于恒流，焊缝熔深可基本保持稳定不变。2、焊接电源的动特性MIG焊电弧过程瞬变频繁，电源必须及时作出反应，以便动态稳弧。电源动特性是指当负载状态发生瞬时变化时焊接电流和输出电压与时间的关系，用以表征电源对负载瞬变的反应能力。MIG焊时负载瞬变最大的是短路过渡以及伴有瞬时短路的喷射过渡，因此，焊接电源动特性的针对性指标有三项，即短路电流上升速度dis/dt (A/s)。短路峰值电流Imax(A)。从短路到引弧的电源电压恢复速度dUa/dt (V/s)。为保证电弧过程的稳定性不被破坏，无强烈飞溅，无不良焊缝成形，在粗焊丝和大电流情况下，要求短路电流上升速度dis/dt稍小，反之，在细焊丝和小电流值情况下，要求dis/dt稍大；在其他条件不变时，要求短路峰值电流较小，以免飞溅过大，然后迅速提升短路电流，当达到某一设定值后，立刻改变电流上升率，以很小的dis/dt增大电流，以便降低Imax和减小飞溅。 国内外MIG焊接电源品牌繁多，其中之一为SAF MIG 480TRI数字化脉冲焊接电源，其外形如图3所示。该电源具有几个有代表性的特点，如热起弧功能，热启动时能发生700A的脉冲电流，有利于解决起弧处易发生未熔合、未焊透及气孔问题；如内设16位微处理器闭环数字化控制系统，有利于解决脉冲MIG焊参数多，操作按钮多，操作很不方便的问题；又如内设的专家系统，内存的100组焊接程序和参数的专家经验可供工艺技术人员和焊接操作人员直接选用或参考选用。此外，该电源允许实施的超射流模式，有利于增强铝及铝合金焊接熔池的搅动从而可明显减少焊缝气孔。图3 SAF MIG480TRI数字化脉冲焊接电源4.1.2、送丝系统送丝系统由送丝机、送丝软管及焊丝盘组成。根据送丝方式不同，送丝系统可分为三种方式，如图4所示。 图4三种送丝方式a)推丝式b）、c）、d）拉丝式e）推拉丝式1、推丝式在此方式中，焊枪结构简化，操作轻便，但送丝阻力大，较难送进较细、较软的焊丝，且软管不能太长，一般送丝软管长度为35m。2、拉丝式 拉丝式可分为三种形式。一种是拉丝机构装在焊枪上，焊丝盘通过软管与其相连。另一种是拉丝机构和焊丝盘都装在焊枪上。这两种均适于细丝半自动MIG焊。还有一种是焊丝盘与送丝电动机都与焊枪分开。3、推拉丝式这种送丝方式的送丝软管可长达15m左右，因而扩大了半自动焊操作的距离。但拉丝速度应比推丝速度稍大，以便以拉丝为主，使焊丝在长软管内始终保持拉直状态。送丝机可采用两轮或四轮驱动装置，后者适于送较软的焊丝，如铝焊丝。四轮驱动装置如图5所示。图5 四轮送丝机构4.1.3、焊枪焊枪的形式及结构特征如图6图9所示。图6鹅颈式焊枪示意图7手枪式焊枪1-喷嘴2-导电嘴3-套筒4-导电杆5-分流环6-挡圈7-气室8-绝缘圈 9-紧固螺母10-锁母11-球型气阀 12-枪把 13-退丝开关14-送丝开关15扳机16气筒图8拉丝式焊枪图9带有焊丝盘的拉丝式焊枪1-喷嘴2-外套3、8-绝缘外壳4-送丝滚轮5-螺母6-导丝杆7-调节螺杆9-焊丝盘10-底板 11, 15, 17, 21, 22-螺钉 12-压片 13-减速箱 l4-电动机16-底板 18-退丝按钮 19-扳机20-触点鹅颈式焊枪应用最为广泛，它适合于细焊丝，使用灵活方便，可达性好。手枪式焊枪适合于粗焊丝，常需水冷。焊枪上装有小型送丝机构和小型焊丝盘的拉丝式焊枪，主要用于采用铝及铝合金细焊丝或软焊丝，装满焊丝的小型焊丝盘重5kg，枪体较重，不便操作使用，但送丝可靠。在焊枪结构上，值得注意的是导电嘴。一般焊枪的导电嘴内孔应比焊丝直径大0.130.25mm，对于铝焊丝则应更大一些。导电嘴必须牢固地固定在枪体上，并使其定位于喷嘴中心。导电嘴与喷嘴之间的相斑位置取决于熔滴过渡形式。对于短路过渡，导电嘴常伸出喷嘴以外；而对于喷射过渡，导电嘴应缩到喷嘴内，最多可缩进3mm。焊接时应定期检查导电嘴，如发现导电嘴内孔因磨损而变大或由于飞溅而堵塞时，应立即更换，因磨损或粘污的导电嘴将破坏电弧的稳定性。4.2 焊接工艺4.2.1、保护气体选择铝及铝合金MIG焊时，只采用惰性气体氩或氦，不采用其他活性气体。氩或氦虽同为保护气体，但其物理特性有差异，因而其工艺性能也有差异。氩气的密度大约是空气的1.4倍，比空气重；氦气的密度大约是空气的0.14倍，比空气轻。在平焊位置焊接时，氩气下沉，驱走空气，对电弧的保护和对焊接区的覆盖作用较好。为得到相同的保护效果，氦气的流量消耗大约应比氩气高23倍。氦气的导热性比氨气高，能产生能量分布更均匀的电弧等离子体。氩弧等离子体则弧柱中心能量高而其周围能量低。因此，氦弧MIG焊时的焊缝形状特点为熔深与熔宽大，焊缝底部呈圆弧状，而氩弧MIG焊的焊缝中心呈窄而深的“指状”熔深，其两侧熔深较浅氦的电离电位比氩高。当弧长和焊接电流一定时，氦气保护的电弧电压比氩弧高，如图10所示。因此，纯氦保护MIG焊时，很难实现轴向射流过渡，常发生较多的飞溅和较粗糙的焊缝表面。氩气保护的MIG焊则较易实现射流过渡。图10 Ar和He的MIG电弧电压特性 由于MIG氩弧焊的电弧电压低和电弧能量密度小，电弧稳定、飞溅极少，因而适用于焊接薄件。MIG氦弧焊的能量密度高，适用于焊接中厚件，但电弧不够稳定，且氦气价格高昂。由于氩和氦各有优缺点，当有必要采用氦时，最好采用氩与氦的混合气体保护，例如，氩75%25%，氦25%75%（体积分数）。在一般情况下，宜优先选用氩气进行MIG氩弧焊。4.2.2、焊接设备选择选择设备时，用户应根据焊接件的结构、材料、零件厚度，接头形式及尺寸、焊接位置等多方面情况来确定对设备的使用要求，如功率输出范围、静态特性、动态特性、送丝机特点、工艺装备配套等。当需焊接厚大铝及铝合金焊件时，应选用大电流和较大输出功率的电源。当需焊接空间位置或焊接较薄的焊件时，应选用脉冲或短路过渡焊接电源，此时应特别注意电源的动特性或动特性可调的电源，例如适应性较大的逆变式焊接电源。当采用亚射流过渡形式进行焊接时，宜选用下降或陡降式外特性焊接电源，此时，电源的恒流特性及弧长自调作用有利于电弧及熔深。4.2.3、接头形式的选择板厚/mm接头和坡口形式根部间隙b/mm钝边p/mm坡口角度()12O352503l3609083036246020以上O33515208以上03367020以上O36lO703Ol4l2122345551213l44050接头形式及其有关尺寸取决于铝及铝合金焊件厚度、焊接位置、熔滴过渡形式及焊接工艺。单面焊时，如零件厚度小于6mm，一般采用无坡口对接；如零件厚度大于6mm，可采用V形坡口对接。铝及铝合金V形坡口角度一般不小于90，以免产生未熔合零件对接间隙和钝边的尺寸视熔滴过渡形式而异。短路过渡时，间隙应较大，钝边应较小；射流过渡时，因熔深较大，间隙应较小，钝边应较大。与其他金属相比较，铝及铝合金结构上常采用搭接接头。搭接接头的强度系数一般为0.60.8，它取决于合金成分及热处理状态。搭接接头的优点是无需加工坡口，易于装配，焊接区处于“船形”位置时易于焊接操作，缺点是难于检验焊接缺陷，热处理强化的铝合金焊接时易发生焊接裂纹，这时就应改搭接为对接。T形接头有时也被采用，也很少需开坡口，但最好是接头的左右两面均有焊缝，以实现受力平衡。4.2.4、零件及焊丝的制备虽然直流反接MIG焊的电弧过程中始终能保持对铝材表面氧化膜的阴极清理作用，但与TIG焊相比较，MIG焊时生成焊缝气孔的敏感性仍较TIG大。因为TIG焊时使用的焊丝较粗，其直径一般为3 6mm，而MIG焊时使用的铝丝较细，其直径通常为1.21.6mm，细丝的比表面积比粗丝的比表面积大，焊丝与零件坡口表面积的比值也大，例如，零件厚度为20mm的坡口对接接头，其焊丝与坡口表面积之比达10：1，焊接一条长lm的焊缝，需消耗的焊丝长达65m。因此，MIG焊时，焊丝表面的氧化膜及污染物随焊丝进入熔池的相对数量较大，加之MIG焊是焊丝的熔滴过渡过程，电弧只是动态稳定，焊接熔池冷却凝固较快，因而产生焊缝气孔的敏感性较TIG更大。焊件及焊丝表面的氧化膜及污染物可引起MIG；焊过程中电弧静特性曲线下移，从而使焊接电流突然上升，焊丝熔化速度增大，电弧拉长，此时，电弧的声音也从原来有节奏的嘶嘶声变为刺耳的呼叫声。因此MIG焊前零件及焊丝表面清理的质量对焊接过程及焊接质量（主要是焊缝气孔）影响很大。零件及焊丝MIG焊前表面清理方法与TIG焊时基本相同，铝及铝合金焊丝最好采用经特殊表面处理的光滑、光洁、光亮的“三光”焊丝。4.2.5、工艺装备的准备MIG焊所需的工艺装备，如小车及轨道（或操作机、变位机、滚轮架），焊件的胎夹具与TIG焊时基本相同，本节拟着重论述焊缝反面的衬垫（或称垫板）。TIG及MIG焊有时均需要焊缝反面的衬垫。MIG焊时功率较大，熔透能力较强，反面衬垫有利于缩小接头的有关尺寸，操作条件较为宽松，对操作技能的要求可适当降低。反面衬垫可分为临时衬垫及永久衬垫，前者可称为可拆卸式衬垫，它一般装在焊件的胎夹具内，与焊缝位置对应，并紧贴在两零件反面，焊接后即与焊件分离；后者的材料与焊件材料相同，并与零件反面焊接起来。临时衬垫的材料一般为碳钢；为了防锈、防粘及保温，可采用不锈钢；为了加强散热，可采用铜或铝。有时临时垫板制成复合结构，由垫板及垫板条组成。垫板条镶嵌在碳钢的垫板内，垫板条材料为不锈钢、铜或铝。垫板条上还加工出一条凹槽，凹槽截面可呈矩形或弧形。矩形凹槽可保证接纳透漏的液体金属，可允许焊缝在横向有所偏移，但可能造成反面成形的余高以90角向零件反面急骤过渡，从而形成强烈的应力集中。因此矩形凹槽可用于强度不高，塑性良好，能适应应力集中的铝及铝合金。弧形凹槽有利于反面余高良好成形，余高可向母材零件圆滑过渡，但对焊缝横向偏移要求较严。中高强度铝合金MIG焊时，必须，采用凹槽为弧形的垫板，此时，槽深宜为0.250.75mm，槽宽要大于焊缝根部的宽度，但不能过宽。永久垫板是工艺需要并经设计允许的一个小零件，一般用于多道焊，使用时必须使钝边及焊缝根部与垫板完全熔合，如图13所示。此时，接头根部对接间隙可稍大，焊接时可手工、机械或利用电磁力实施横向摆动。当采用铝合金挤压件时，挤压件本身带有便于与其他零件焊接的多种形式的衬垫，有时衬垫还可带有坡口及自定位和方便连接的配合部。4.2.6、焊接参数1、焊丝直径 MIG焊时，焊丝直径与焊接电流及其范围有一定的关系。细丝可采用的焊接电流较小，电流范围也较窄，焊接时主要采用短路过渡方式，主要用于焊接薄件。由于细丝较软，对送丝系统要求较高。细丝比表面积大，随细丝进入熔池的污染物较多，出气孔的几率比粗丝大。粗丝允许采用较大电流，电流范围也比较大，适用于焊接中厚板。手工半自动MIG焊时，一般采用细丝；自动MIG焊时，一般采用较粗的焊丝。2、焊接电流MIG焊时，焊接电流主要取决于零件厚度。当所有其他焊接参数保持恒定时，增大焊接电流，可增大熔深和熔宽，增