船用高强度铝合金焊接工艺研究进展

姜松涛

（1. 嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314000；2. 江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

0 引言

随着我国海洋强国战略的深入推进，铝在船舶舰艇中的用量逐年增长，但铝合金焊接存在焊接接头软化严重，表面易产生难熔的氧化膜，且焊后易产生气孔、热裂纹、焊接变形、合金元素烧损、接头性能下降等缺陷。目前，国际机械装备竞争日趋激烈，对船用铝合金焊接提出了新的要求，一种焊接操作方便且焊后拥有高性能焊接接头的船用铝合金焊接工艺已经成为船舶焊接领域中的研究热点。

1 船用高强度铝合金需求分析

变形铝合金在大型水面舰船上层建筑及各类客船上都有应用。泵、活塞及舾装件等部件较多使用铸造铝合金[1]。铝合金在舰船上的应用分为三类，一类结构为受力结构件如船体、舰船甲板室、导弹发射筒等。二类结构为6063、6082、3003等合金材料常用在非受力构件或受力较小的构件，如油箱、水箱、管道、储藏柜、手把、窗，挡风板和支架等。三类结构主要用的是功能材料，用于制造船舱内部装饰件与绝热、隔声材料，除用各种热处理不可强化铝合金材料外，铝-塑复合板与泡沫铝材在船舶制造中的应用逐步提高，泡沫铝板具有良好的隔声效果，潜艇发动机室多用此材料，复合板的两侧或单侧为较薄的1100、3003铝合金板，芯层为塑料层，其特点是质量轻，有适当的刚性，更好的减振隔声效果，船舶舰艇内部装饰，也可以作为门窗等材料[2]。

含Ni的Al-Cu系铝合金最早应用于船舶上，继而采用2系铝合金，而2系铝合金的耐腐蚀性能一般，限制了在造船中的应用[3]。20世纪30年代，采用了6061-T6铝合金铆接方法来构造船体。40年代，焊接性能和耐腐蚀性能良好的5系铝合金得到了应用。50年代，TIG焊（非熔化极惰性气体保护焊）技术开始应用。60年代，美国海军先后开发出铝合金挤压型材，解决了剥落腐蚀和晶间腐蚀问题，随后屈服强度更高、耐海水腐蚀性能良好的6系铝合金广泛应用在船舶制造中。70年代后，船舶结构的合理化和轻量化受到国内外学者的关注，铝合金开始在舰船的上层结构大量使用，许多上层结构和舾装采用了铝合金[4]。

在建造航空母舰、巡洋舰、护卫舰、潜艇、快艇、民用船舶时铝合金有很大的需求[5,6]，在航母上，从飞机起落的部分甲板、舱室隔壁、管道、舷窗盖、门和部分辅机等都用到铝合金，许多驱逐舰主甲板上的结构也都采用铝合金制造。

2 TIG焊及MIG焊

TIG焊的焊接接过程稳定，保护效果好，经济成本低，交流TIG焊阴极有去除氧化膜的作用，可以清除熔池表面的氧化膜，适用于铝合金的焊接。传统的TIG焊有直流TIG焊、交流TIG焊、脉冲TIG焊等，随着技术的发展，TIG焊的焊接工艺也在不断完善，如高频脉冲氩弧焊、窄间隙热丝TIG焊、双面双弧TIG焊、自动钨极惰性气体保护焊等焊接技术被逐渐开发出来。

陈澄等人[7]对12mm板厚的5083铝合金进行了焊接试验，焊缝组织均匀细小，强度和塑性良好，抗拉强度为母材的90%以上。李杰庆等人[8]对2A12等铝合金进行了试验，试验得出的焊缝组织呈等轴枝晶分布，熔合区组织为晶粒粗大的柱状晶，抗拉强度在50%～90%，满足服役要求，但在热影响区都出现了不同程度的软化，为了细化接头组织以及改善接头成形，选用卤化物 NaCl、CaF2和氧化物SiO2、MnO2、TiO2作为活性剂来细化焊缝组织，增加焊缝熔深，改善焊缝质量，提高焊接生产率。

MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）具有生产率高、适应性良好的特点，在铝合金焊接中得到广泛应用，随着铝合金MIG焊技术的发展，同种材料的焊接已经趋于成熟。铝合金异种材料的焊接，常常要引入中间层来实现材料的连接。Zhang等人以锌箔为中间层材料，在1mm厚的镁合金和铝合金板之间进行对接焊[9]，锌箔作为阻止铝与镁原子反应的阻挡层，获得了不同材料的无裂纹搭接接头。

3 激光焊

激光焊为高能束焊接，具有功率密度高、焊接热影响区小、焊接变形小、无接触、不受电磁干扰、可在大气中进行焊接等优点，但由于铝合金反射率高、导热性好以及等离子体的屏蔽作用，焊接时易出现气孔和热裂纹。孔晓芳等人[10]采用5087焊丝作为填充材料，对4mm厚的5083铝合金进行了光纤激光焊接，得到了良好的焊接接头，焊缝硬度与母材接近。许良红等人[11]对高强度铝合金2519-T87进行焊接，焊缝组织细小，晶界共晶相呈短棒状均匀分布，抗拉强度可达到母材的74%。续敏等人[12]对5052铝合金激光焊接接头进行了研究，焊缝区主要为等轴晶，晶粒较母材和热影响区细小，拉伸断口为典型的韧窝断口形貌。房晓玉等人[13]分析了稀土粉末对6061铝合金激光焊接组织和性能的影响，通过添加稀土粉末，提高焊接稳定性，抑制焊接裂纹的产生，提高焊缝硬度，但降低了焊缝的抗拉强度。

周逸凡等人[14]分析探讨了4mm厚5A06高强度铝合金光纤激光-MIG电弧复合焊的表面成形规律与气孔特性，稳定的光纤激光-MIG电弧复合焊无需对母材进行复杂的焊接前、后处理，即可有效地减少甚至完全消除铝合金试样的接头氢气孔。 M.Sheikhi等人[15]对2024铝合金激光焊的凝固裂纹进行了深入研究，根据现有标准改进，设计了开裂准则。

铝合金激光焊可以获得成型良好焊接接头，而且通过加入稀土元素和采用激光复合焊等，可以使接头的性能得到一定程度的改善。但由于铝合金在室温下对激光的反射率很高，同时也会存在易出现气孔、裂纹缺陷。激光焊对于中厚板铝合金的焊接还存在一定难度。而对于电子束焊和搅拌摩擦焊，受设备的限制，主要集中在薄板和中厚板的焊接方面。常艳君等人[16]发现预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性，尤其对接头的塑性影响更大，但会使焊缝区的晶粒组织变得粗大。

4 电子束焊

电子束焊在整个焊接过程中处于真空状态下，由于电子束具有较高的能量密度，焊接深宽比大，对于较厚的试件，焊接能够实现一次成形，基本避免了铝合金氢气孔缺陷，对铝合金中厚板的焊接具有独特的优势。

陈国庆等人[17]通过对2A12铝合金电子束筒体焊接试验，发现气孔是影响接头强度的主要因素，气孔来源主要有两个：一个是氢气孔，一个是Mg。Al2O3和MgO两者的氧化膜部分汽化形成的气孔，后者的影响较大，为消除接头气孔的缺陷，采用了较大的电子束斑、较低的焊接速度和复杂的扫描图形进行焊接，取得了较好的效果。

当两侧材料对热输入的需求产生差异时，对于某些铝合金的电子束焊接，一般采用偏束焊技术，这样可以有效实现热输入的分配。陈国庆等人[18]分别采用电子束对中焊、偏束焊技术，研究了SiC颗粒增强铝基复合材料SiCp/2024与2219铝合金的接头组织及力学性能，焊缝处生成少量针状体Al4C3，复合材料热影响区中部以上有一层较窄的区域生成了脆性相Al4C3，最大抗拉强度为131MPa，为母材的54%，断裂为典型的脆性断裂。

随着电子束焊接的发展，目前已经发展出了电子束的分束焊接技术，采用分束焊接技术，能够实现电子束的多区域焊接。T. V. Olshanskaya等人[19]研究了电子束焊接中的光束分离技术，将电子束的动态定位应用在AlMg6铝合金的焊接中，提出了一种铝合金电子束分束焊接的最佳分解方法。

5 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊在焊接过程不产生烟尘、飞溅和辐射，焊后几乎不会产生气孔和裂纹等缺陷，但焊接接头中存在沟槽、飞边、孔洞、未焊合等缺陷，需设计合适的搅拌头，选用合适的焊接工艺参数。

Radisavljevic[20]等人研究了旋转速度和焊接速度对2024-T351铝合金对接接头焊缝形貌的影响，当焊接速度为73～190mm/min、旋转速度为750r/min时，焊缝成形良好，表面具有均匀的鱼鳞状；当旋转速度为950r/min和1180r/min时，焊缝表面成形差，出现起皮和犁沟缺陷[21]。Imam等人[22]通过电子背散射、透射电子显微镜技术，进行了6063-T4铝合金焊接接头微观组织观察，并通过机械测试对其接头性能进行了研究，研究表明，晶粒和晶界的取向差与应变、应变率和峰值温度有关，搅拌区的主要强化机制是晶界强化和位错强化。王希靖等人[23]对航空用5mm厚铝合金7050-T7451搅拌摩擦焊接头的低周疲劳性能进行了研究，得到了低周疲劳寿命表达式和应变-寿命曲线，焊接接头的疲劳断口均发生颈缩，为韧性断裂。针对铝合金焊接结束后遗留下来的匙孔对焊接结构造成的不良影响，黄永宪[24]等人基于固态连接原理提出了填充式搅拌摩擦焊匙孔修复技术，实现了对焊缝匙孔的固态补焊，为搅拌摩擦焊焊缝缺陷的修复和无匙孔搅拌摩擦焊提供了技术支撑。

6 船用高强度铝合金焊接工艺展望

针对船用铝合金焊接国内外差距主要集中在以下几点：（1）国内船用铝合金焊接质量与国外还存在一定差距，尤其是对铝合金要求较高的军品船基本靠进口；（2）国内铝合金焊接技术研究主要集中在熔化焊等常规焊接方法上，如MIG焊等，激光焊和电子束焊等，未能解决铝合金厚板的焊接问题；（3）国内搅拌摩擦焊技术与国外相比还存在一定差距。

搅拌摩擦焊在焊接铝合金方面已体现出熔化焊不可比拟的优势，具体体现在外观、重量、性能、成本以及制造时间等方面，搅拌摩擦焊为现代船舶制造提供了新的连接方法，但搅拌摩擦焊这项新技术在国内的应用时间相对较短，将这种新的焊接方法用于船舶的焊接还有一定距离，随着搅拌摩擦焊技术的不断发展，该技术必将应用于船舶焊接[25]。实际企业生产中常用MIG焊、TIG焊等常规方法来焊接铝合金材料。这两种方法具有焊接成本低、操作简单、易于实现等优点，两种焊接方法的结合或许可以实现船用高强度铝合金的焊接性能调控。

7 结语

各系铝合金在舰船上均有应用，因此，船用铝合金的连接得到焊接学者的高度重视。铝合金焊接时存在的问题主要如下：（1）氧化能力强；（2）易产生气孔；（3）膨胀系数较大，热裂纹倾向高；（4）合金元素烧损，接头性能下降；（5）铝导热快，热容量大，必须采用热量集中的焊接方法；（6）铝合金由固态转为液态时，没有明显的颜色变化，容易造成焊塌而形成焊瘤。

近几年，为了解决这些问题，研究者们做了很多研究，并将铝合金焊接技术的发展归为三方面：其一，基于对传统焊接技术的改进和创新而出的新型铝合金焊接技术；其二，高能密度焊接技术在铝合金焊接领域的进一步推广和应用；其三，搅拌摩擦焊在铝合金焊接领域中的出现[26]。

激光焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷，但激光功率较小时，厚板的焊接困难, 且表面对激光束的吸收率很低，以及要达到深熔焊时存在阈值问题，工艺上有一定难度。未来几年，随着焊接工艺的改进将会使高强度铝合金在船舶上的应用更加广泛，对未来工业化发展做出重要贡献。