铝合金船体结构焊接质量控制及检验

铝合金船体结构焊接

质量控制及检验

主讲人王承权武汉理工大学教授武汉南华高速船舶工程有限公司高级顾问

1.影响船体结构质量的因素

2.船用铝合金牌号及状态、设计选材

3.船用铝合金的焊接性及焊后的力学性能

4.船用铝合金的焊接方法及工艺评定

5.铝合金构件冷热加工的相关问题

6.铝合金船体结构的焊缝规格

7.高速船舶船体构件的稳定性

8.分段合拢缝的焊接程序

9.钢—铝结构过渡接头的节点设计及焊接过程中Tcr的控制

10.高速船舶窗玻璃的粘接连接

1.影响船体结构质量的因素

在工程技术上把某一机器（或其零件）、结构（或其部件）处于非正常技术性能的状态，称之为失效（Failure）。工程中产生的失效归纳表现形态：

断裂及屈曲含静载脆断、交变载荷及振动引起的疲劳脆断、腐蚀（尤其应力腐蚀）断裂等及结构总体或局部刚度不足导致的失稳等。在这一领域里仍然是各国科技工程界研究的重大课。

磨损规律性明显，在使用期可控性强。

腐蚀按腐蚀量确定使用周期，但应力腐蚀开裂可控性差。对于化工设备是重点之重。

大量经验和实例表明，失效控制应从产品设计开始，贯穿制造过程（含质量检验和测试）直至使用的整个过程中，也就是说失效控制具有时空性质。

对于船体结构，经过长期的造船实践及对海损失效船舶的检验分析，尤其是二次大战期间，美国建造的大量万吨级“自由轮”的国际性调研，总结出影响船体结构质量的因素是：船体结构材料、结构（尤其是节点）设计、建造工艺（尤其是焊接工艺）及服役环境（使用条件）四大因素。材料（结构用材料及与其相匹配的焊接材料）

现在应用的船体钢材分为一般强度钢、高强度钢及高强度淬火回火钢三大类别。每类别中又按强度等级、冲击试验温度及其对应的冲击功分为不同的级别。以一般强度船体结构用钢为例，分为A、B、D、E四个等级，其力学性能见表列：钢材等级屈服强度бs不小于（MPa）抗拉强度бb不小于（MPa）延伸率δ5不小于（%）夏比V型冲击平均功不小于（J）试验温度厚度t(mm)t≤5050<t≤7070<t≤100纵向横向纵向横向纵向横向A235400～5202220——34244127B02720D-20E-40

对于结构材料主要考虑力学性能、焊接性能、耐腐蚀性等。在各船级社规范中力学性能以表列数值规定。焊接性的评定，对一般强度钢，以化学成分为准则，凡符合规定的，其焊接性是良好的。而对高强度钢用碳当量

Ceq=C+++(%)

来衡量，其中对于以温度—变形控制轧制[TM（TMCP）]状态交货的钢材，还应符合1）Ceq

应满足相应的求，如A32、D32、E32、F32

Ceq≤0.36(t≤50)

（2）按

Ｐcm

＝Ｃ＋＋＋＋

＋＋＋＋５Ｂ（％）

（Ｐcm

－冷裂纹敏感系数）代替Ceq

对于高强度淬火回火钢用Ｐcm衡量焊接性。ＵＳＡ的“自由轮”上所以发生震惊世界的大批开裂，１５余艘断裂为二段的空前海损失效，就材料而言是钢材含碳量高，Ｓ，Ｐ杂质含量亦高。现在各船级社规定的化学成份、冶炼方法、交货状态等就是在分析“自由轮”钢材（对铆接是适宜的）基础上形成的。

结构设计

“自由轮”是在结构图纸上，将“铆钉”改为“焊缝”，结构上存在严重的应力集中，这种应力集中成为结构开裂的“发源地”。例如，当时的舱口角隅是直角直接连接，实船调查发现许多裂纹是从角隅开始的。现在的舱口角隅是圆弧形或椭圆形（长半轴平行纵中剖面）完全消除从这里产生的开裂。

对于重要部位或承受交变振动载荷的构件，应绘制接头节点详图，将坡口三要素、焊道熔敷顺序清楚地表示出来，否则此处的焊接质量难以保证。不止一艘含有转动导流管的新船在从建造厂驶向船藉港航行中吊臂断裂，导流管沉入江中的实例，有力地说明结构节点设计的重要性。

结构设计中，构件的强度一般不会出现问题。构件的刚性有时未被保证。一艘长江口高速船（３０Ｋn），下水初次试航后，就发现机舱横向强框架在舭部和梁肘板处的腹板产生了波浪变形。设计者称《海高规》已经“很强了”，设计时在《海高规》上又“强了”，但面对腹板波浪变形无言以对。这个例子说明在我国船舶结构设计中对稳定性没有给予充份的重视。《海高规》中对稳定性的免核条件及舷侧纵桁设置上不十分严密。

在施工中对于明显不合理的结构节点，设计者往往都是以ＣＣＳ审图中心认可的，怎么还会不合理？怎么对待这一观念，在当今应该重视了。建造工艺

建造工艺有很广范的可变范围，但却决定着产品的质量，生产周期，制做成本，文明生产、劳动条件改善等。

“自由轮”的建造，据文献称，当时根本没有那么多焊工，参加施焊的是大量未经培训考试的家庭妇女，可想焊缝质量会是如何。在建造过程中没有焊接工艺规程（ＷＰＳ－weldingprocedurespecification）、缺乏质量检验，导致“自由轮”船体结构中含有大量严重的焊接缺陷，是“自由轮”海损事故的重要原因之一。

建造工艺因素是最不容易控制的。目前的情况是，工业发达的国家对工艺因素控制得很好或较好，将经实践证明正确合理的工艺“升华”为“秘密文件”，被专利保护。工业欠发达和落后国家，工艺处于“混沌”状态，产品质量不稳定，生产成本高，制造周期长。应用什么样的工艺，就会有相对应的产品性能

。例如：

应用目前的熔化焊方法焊成的结构，都存在相态变化带来后果：裂纹、未焊透、夹渣、气孔、焊缝的铸造组织及热影响区的组织及性能的改变，数值几乎达到被焊材料屈服点的拉伸残余应力，这些对结构强度和稳定性、耐腐蚀性等都产生较大的不利影响。

欧洲一些国家和俄罗斯利用铝合金具有良好的挤压成形性能，研制出铝合金带筋板，大大降低造船厂的焊接工作量，显著提高薄板结构的抗失稳能力，使船舶上层建筑表观质量大为改进，无需焊后矫正变形。公安部福建边防总队的《海峡号》（全铝合金双体穿浪船，喷水推进，３５Ｋn，用于接送台海两岸过境人员，载客２４０多人），

其上层建筑是俄罗斯生产的宽幅多根型材的带筋板，在我国是首次。现已下水，其优秀的表观质量吸引许多船东向设计院、造船厂提出采用带筋板替换传统的熔化焊接型材与薄板的甲板、壁板结构。铝合金经ＭＩＧ、ＴＩＧ焊接后力学性能大为降低，例如5083Ｈ３２１的板材。为此各船级社不得不规定焊后的最低值，见下表:

抗拉强度Ｒm（ＭＰa）屈服强度Ｒp0.2(Mpa)供货状态焊接后≥305≥270≥215≥125(ER5183)≥115(ER5356)

这是客观事实，在结构设计中不是以供货状态的力学性能而是以焊后的力学性能来计算许用应力。但是

科学在发展，技术在进步!

１９９１年英国焊接研究所（ＴheweldingInstitute—TWI）发明一种全新的焊接方法—搅拌摩擦焊（ＦrictionstirWelding—ＦＳＷ）。这是一种非熔化焊的焊接方法，所有由熔化焊带来的不利影响都不存在。焊接接头区没有相态变化，没有焊接缺陷，力学性能几乎达到基本金属所具有的水平，焊接后几乎没有变形，残余应力也很低。

焊接过程无需填充金属、无光、无烟尘、无辐射、电能消耗远低于熔化焊，是绿色环保型焊接连接技术。焊接过程自动化，无需培训焊工，焊缝无需ＮＤＴ。这种焊接技术在欧美已被用于航天飞行器上，高速船舶的部分构件。波音公司已用ＦＳＷ取代熔化焊连接火箭燃料贮箱。

2002年北京航空制造工程研究所（625所）获得TWI在中国应用搅拌摩擦焊的专利许可。现在是中国搅拌摩擦焊中心。目前国内正考虑采用FSW方法制造宽幅带筋板。

服役环境（使用条件）

考虑产品（结构）的受力状态、载荷性质（静载、振动、冲击、交变）应力水平、环境温度、介质的化学性质：腐蚀性、射线辐射……,这是结构面对的客观现实，只能去适应，而不能去改变。

`

“自由轮”结构上的开裂和断裂大多发生在冬季寒冷的海域。当时所用钢材的低温冲击韧性远不如当今的船用钢材，再与结构设计不合理，焊缝中存在严重缺陷相结合，才会发生那样严重的损坏。

结构材料选择合理，相匹配的焊接材料合适结构设计正确，节点图完整、详细、指导施工焊接工艺规程（ＷＰＳ）、焊工资格、过程控制及质量检验服役环境、被充分考虑并有应对措施2.船用铝合金牌号及状态、设计

选材（含相匹配焊丝）

铝及铝合金的表示方法，目前各国倾向于美国铝业协会（ＴheAluminiumAssociation—AA）的符号系统。

铝合金包括纯铝在内共八大系列产品“1000系列（纯铝）、2000系列（Ａl-Cu）、3000系列（Ａl-Mn）、4000系列（Ａl-Si）、5000系列（Ａl-Mg）、6000系列（Al-Mg-Si）、7000系列（Ａl-Zn-Mg）及8000系列（其它合金元素）。这些合金就是当前用于航空航天、船舶及海洋工程、化工、铁路及建筑等行业的铝合金。

相应的标准：

变形铝及铝合金牌号及化学成分（GB／T3190－1996）

变形铝及铝合金牌号及化学成分（AA标准－1980）

船用铝合金主要是5000系列及6000系列，它们都具有良好的焊接性能。但耐腐蚀性能有差别，5000系列可直接用于与海水接触，而6000系列被限制与海水直接接触。如果用于直接接触海水，必须取得船级社同意（Ｔheuseof6000alloyistobeagreedwiththeSociety）。5000系列多为板材型式，6000系列主要用于型材。

铝合金供货状态，对于板以制造、退火冷作或冷作加部分退火或稳定化达到回火（见表），其中Ｈ－代表硬化，其后第一个数字分别表示：

１－仅以应变硬化达到标定强度；

２－以应变硬化加部分退火达到标定强度；

３－应变硬化加稳定化达到标定强度；第二个数字表示应变硬化量：

１－表示１／８；

２－表示１／４；

４－表示１／２；制造过程特征符号无标定强度要求的（拉制产品）制造、冷作－Ｆ退火、软化回火－Ｏ应变硬化达到标定强度１／８硬化－Ｈ１１１／４硬化－Ｈ１２１／２硬化－Ｈ１４应变硬化加部分退火达到标定强度１／８硬化、部分退火－Ｈ２１１／４硬化、部分退火－Ｈ２２１／２硬化、部分退火－Ｈ２４应变硬化加稳定化达到标定强度１／４硬化、稳定化－Ｈ３２１／２硬化，稳定化－Ｈ３４特别处理－低于－Ｈ１１的应变硬化，如用矫正或拉伸－无控制应变硬化，但有力学性能规定－经过防鳞化腐蚀处理－较受控Ｈ３２回火要求较低的应变硬化－Ｈ１１１－Ｈ１１２－Ｈ１１６－Ｈ３２１例如，5083－Ｈ321、5083－Ｈ116等等

对于型材的供货状态见表：

制造过程特征符号固溶热处理（ＨＴ）后处于不稳定状态参数－Ｗ固溶热处理、自然时效－Ｔ４高温成形工艺后冷却，人工时效－Ｔ５固溶热处理、人工时效－Ｔ６固溶热处理、人工过时效－Ｔ７3.船用铝合金的焊接性及焊后力学性能

Al－Mg系列经应变硬化加稳定化处理的合金其焊接接头热影响区中的完全再结晶区（受热温度约４５０℃，区内晶粒都长大，仍呈轧制方向，失去供货状态的硬化性能，表现为强度降低。板对接焊拉伸试验大多数断在该区域。

法国铝业公司为了提高Ａl－Mg系列的焊后性能，研制出一种高强度铝合金，其焊后力学性能也相应提高，在ＡＡ注册牌号为5383，其供货状态和焊后的力学性能如下表（为了比较，列出5083的）

例如6082－T6等等

当铝合金牌号确定后，可按规定，选择相匹配的焊丝牌号。例如，焊接5083＋5083的板，应选ＥＲ5183焊丝，而5083＋5086的板，可选ＥＲ5356焊丝等。

合金牌号及状态供货状态最小值（ＭＰa）焊后最小值（ＭＰa）抗拉强度Ｒm屈服强度Ｒp0.2抗拉强度Ｒm屈服强度Ｒp0.2

5083－H116、H321305215270115(ER5356)125(ER5183)5383－H116、H321305220290140(ER5183)美国的5456－Ｈ116（1.6<t≤30）、H321（４<t≤12.5）抗拉强度和屈服强度分别为315（MPa）和230（MPa），相应的焊后力学性能也是较高的（ASTMB209－88）。4.船用铝合金的焊接方法及工艺评定

目前，应用最广泛的方法是惰性气体保护焊，惰性气体有纯氩、纯氦及氩－氦混合气体。一般情况用纯氩就能满足焊接工艺要求。包括钨极氩弧焊（ＴＩＧ－TungstenInertGaswelding

）及熔化极氩弧焊（ＭＩＧ－MetalInertGasWelding）.

TＩＧ焊和ＭＩＧ焊都属于熔化焊接方法。焊缝质量与所用焊机的性能、焊接工艺参数、焊工的技能水平、焊前准备（尤其是接缝边缘清理）施焊环境条件（是否较封闭的船体车间内，空气湿度、温度、防风设施、地表灰尘等）密切相关。一个正确的铝合金结构焊接工艺规程，应当对上列影响焊接质量的因素给予全面深入地考虑，有可执行性、可检查性，而不是空话，虚词。

各船级社对铝合金焊接工艺评定内容和要求基本上是一致的。板对接焊工艺评定有拉伸试验（Rm、RP0.2、及δ５)、弯曲试验（弯曲180o）。应当指出，在其它条件相同的情况下，焊接工艺参数的正确与否是关键。铝合金的晶格构造是面心立方晶格、不倾向脆断。无需做冲击试验。ＦＳＷ搅拌摩擦焊方法，在焊接过程中板边缘未经熔化状态，是固相焊接。最早应用于航天运载器的制造。挪威一家铝合金制造厂应用ＦＳＷ将挤压的单根型材带筋板焊成具有多根型材的宽幅带筋板（1650Ｘ11750，Tt=3,

40X40,

S=175,

9根）有DNV证书。

挪威供应的这种带筋板铝合金牌号及状态是６０８２－Ｔ６，只能用于制造上层建筑。英辉高速船公司建造的“北海救护中心”（全铝合金双体穿浪船，喷水推进）上层建筑用此带筋板制造（原设计是传统焊接型材，后改用带筋板，其带筋板肋距小于原设计，因而重量增加了一些）。

我国目前正在研究开发用ＦＳＷ将６０８２－Ｔ６的挤压型材与５０８３板材焊成多根型材的宽幅带筋板，这种带筋板可用于主船体（壳板直接与海水接触）。5.铝合金构件冷热加工的相关问题

5.1冷加工的温度限制

5454铝合金最高加热温度为149℃

除5454以外的5000系列的铝合金冷加工应在52℃以下进行。

5.2热加工的温度范围

5000系列的铝合金热加工温度范围是260℃～425℃

在热加工和消除应力处理中，应有适当的温度控制方法。

5000系列铝合金对65℃～200℃温度区间是十分敏感的，如果停留时间长会降低耐腐蚀性能，因此，在加热过程中加热速度要快。冷却过程中用水流冷却，来尽量减少停留时间。

5.3在铝合金结构上不允许进行冷加工或热加工，除非提供证明不会发生有害于材料性能的变化。

6.0铝合金船体结构焊缝规格

6.1对接焊缝是“强密焊缝”，在规范中不作为规格提出来。但在排板缝时,端接缝不得位于同一截面上。

6.2角接焊缝要复杂得多，因此各船级社规范以“焊缝规格”来规定（作为送审技术文件）和检验（施工现场）。设计时，编制“船体结构焊缝规格表”的依据是各船级社的“焊缝系数”

“焊缝系数”是源于ＬＲ的“weldFactor“它是“FilletweldFactorStrengthontheShear”的简写。全称中译为“填角焊缝剪切强度系数”。简称“焊缝系数”。

CCS的《海规》、《海高规》以“焊接系数”出现，似与其物理意义不符。而《海高规》英文版中，“焊缝系数”写成“Weldingparameter“不知来源何处。

在LR中1961版中，“焊缝系数“最大值0.88，当前各船级社最大值为0.44。原来这个系数有13档次，当今有6～8档次．随焊接技术的进步，焊缝强度和施焊工艺不断提高，焊缝尺寸被减小了．

提请注意，在当前各船级社规范中，给出的＂链式间断焊＂和交错间断焊＂在强度上是不一致的．l

链式间断焊Ld d

≤150 L

交错式间断焊

关于间断焊焊段长度≥75mm的问题

对于中大型船或小型船的主船体，这一规定毫无疑义．对小型船的上层建筑，这一规定实施起来会遇到困难，间断几乎变成了连续焊．应当适当采用较短的焊段．

例如50、40、30、25等。7.高速船舶船体结构的稳定性

对高速船稳定性问题应给予注意．

《海高规》构件稳定性一节中的免核条件不够充分：L≤50m，L/D≤12时，免于校核“。有一艘高速船，符合这个条件。但建造完成下水试航发现强构件腹板失稳了。对该船结构的分析是未设舷侧纵桁导致的。

2002年对《海高规》修改通报新增的“第６节铝合金及钢质双向加筋板船体结构的构件尺寸“，其中”2.6.1.4建议双向加筋板边长比L１／L２范围为1.0～2.0。其中“Ｌ１为加筋板沿船纵向的长度；

L２为加筋板沿横向的长度。“应当指出，比值应不含1.0、2.0，而应该是（1，2）．“2.6.1.7纵骨的临界屈曲应力应至少比船体板的临界屈曲应力大10%。”是一个非常有效的补充．遣憾的是，2005年版《海高规》修改时，原提出方主动撤除这一条款。说明提出时就缺乏充分的考虑。提请各位验船师，在审图和现场对这一条款补救，以绝后患。

8.分段合拢缝的焊接程序

分段合拢缝，尤其是船台总段大合拢环形缝的焊接对保证船体的强度、结构变形、残余应力的分布等是极为重要的影响因素。

DNV《高速轻型艇入级规范》（1985年）第三篇铝合金结构设计第四节焊接连接A总则A200焊接细节202的规定：端接缝与边接缝相遇时，边接缝的焊接应在远离接头处中断，直到焊好端接缝后，再继续焊接。端接缝的焊接应连续通过未施焊的边接缝，而为了直通地焊接边接缝，接头处的端接缝应铲除。

ABS《铝船建造和入级规范》（1975年）30船体结构的焊接，30.5产品焊接，30.5.5顺序条款：

……非经专门批准，焊缝不得横过未焊的接头，或者超越作为本焊缝终止端的未焊接头。

用图表示这两家船级社的条款：①②③②①①②③①

我们曾对35客位高速客船，同时建造的同型三艘船体的合拢缝，进行了上述二种焊接顺序的试验研究．对焊后船体总变形、局部变形做了测量，并用焊接