鋁合金船舶的摩擦攪拌焊接工藝研究獲獎科研報告

鋁合金船舶的摩擦攪拌焊接工藝研究獲獎科研報告

摘

要：摩擦攪拌焊屬于全新固態(tài)連接技術(shù)，通過摩擦攪拌焊工藝技術(shù)能夠?qū)Τ′X合金板材進(jìn)行有效對接，同樣可完成角接與圓通縱縫的有效焊接。關(guān)于鋁合金船舶方面，對摩擦攪拌焊接工藝的應(yīng)用有著重要的影響和意義。基于此，本文對鋁合金船舶的摩擦攪拌焊接工藝進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金船舶;摩擦攪拌焊：工藝

前言：

英國焊接研究所率先研制的摩擦攪拌焊（FSW），是使用耐磨旋轉(zhuǎn)工具，對鋁、鎂、銅等板材或是型材等進(jìn)行有效連接的全新工藝。焊接件始終處于不超過熔點的固相狀態(tài)。當(dāng)前，鋅、鉛、鈦、鎳以及鋼等材料摩擦攪拌焊依然處在試驗階段。熱輸入相對較低，且焊縫表面性對光滑，使FSW具備優(yōu)秀的力學(xué)性能以及地變形等優(yōu)勢特點。因為摩擦攪拌焊接工藝處于溫度相對較低環(huán)境狀態(tài)下進(jìn)行，所以能夠?qū)Ψ涓C結(jié)構(gòu)或是夾層板鋁制蒙皮進(jìn)行有效焊接，并防止出現(xiàn)內(nèi)外分層的現(xiàn)象。低溫環(huán)境狀態(tài)下的摩擦攪拌焊同樣能夠?qū)Ξ惙N材料進(jìn)行有效焊接。位于造船行業(yè)領(lǐng)域，大多數(shù)公司均運用摩擦攪拌焊接工藝對大型鋁合金甲板進(jìn)行有效焊接，并有著良好的應(yīng)用效果。

一、摩擦攪拌焊在造船中的應(yīng)用

（一）冷藏箱壁板

摩擦攪拌焊接工藝，其余主要在漁船低溫冷藏使用的空心鋁板制造中進(jìn)行使用。此類鋁板主要通過摩擦攪拌焊接擠壓鋁板而形成。變形相對較小且重復(fù)性相對較高的優(yōu)勢特點，使摩擦攪拌焊不論技術(shù)或是經(jīng)濟方面，均稱為生產(chǎn)此種壁板非常關(guān)鍵的重要工藝技術(shù)。

（二）蜂窩結(jié)構(gòu)板和防腐板

日本曾發(fā)表有關(guān)摩擦攪拌焊接工藝的全新應(yīng)用，此項工藝被應(yīng)用于蜂窩結(jié)構(gòu)板以及海水防水板的焊接制造方面。關(guān)于海水防水板，使通過5個寬度為250mm，規(guī)格型號為5000系列擠壓鋁材共同連接形成，摩擦攪拌焊接之后的尺寸則為1250mm×5000mm。由于其焊接結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的平整性以及力學(xué)性能，此類板材也被用于船艙艙體壁板方面[1]。

（三）用于高速渡輪甲板和艙體結(jié)構(gòu)的板材

用于高速渡輪之中的寬幅鋁合金板，可通過摩擦攪拌焊進(jìn)行焊接制造，從而投入具體的使用之中，此類板材均為擠壓鋁材，能夠以標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行擠壓生產(chǎn)制造。同熔焊進(jìn)行對比，此方法熱輸入相對較低，且變形相對較小，使熱應(yīng)力得以有效降低。于1996年至1999年，挪威一家大型鋁業(yè)企業(yè)已經(jīng)完成生產(chǎn)，同時交付使用共計1700件鋁板，總焊接長度約為110km。因為此類板材僅縱向應(yīng)對相對較高，所以能夠?qū)ζ洳扇【碓奖氵M(jìn)行陸運運輸。海運運輸期間，可采取多層堆放。

摩擦攪拌焊接應(yīng)在全球方位得到有效應(yīng)用，如高速渡輪與大型游輪或是石油鉆塔等方面?？傃b過程中，為達(dá)到節(jié)省時間的目的，通過起吊機械直接吊裝大型預(yù)制鋁板至船體。瑞典一家大型鋁型材企業(yè)通過應(yīng)用摩擦攪拌焊接進(jìn)行焊接，總韓額吉長度約為2000km。摩擦攪拌焊特許使用企業(yè)，對于各不相同項目，運用適宜的焊接工藝參數(shù)完成焊接[2]。

（四）爆破成形的游輪船身

澳大利亞Adelaide大學(xué)機械工程學(xué)院，曾研制出適用于制造全新游輪的樣機。此設(shè)備運送至基礎(chǔ)研究院，并用于技術(shù)含量相對較低的有關(guān)造船廠進(jìn)行實際使用。

對于厚度為5mm的5083H321鋁合金船頭部分，通過摩擦攪拌焊接工藝焊出相應(yīng)的焊縫，焊接速度控制在35mm/min。摩擦攪拌焊接之后，通過高能率成形獲得船頭部分。爆破板禿頂位于鋁板之上，并安裝位于具體的模具之中。引爆炸藥之前，模具內(nèi)部盛滿水。成形的結(jié)構(gòu)板，只有在游輪上進(jìn)行安裝。

二、攪拌摩擦焊在船舶制造上的工業(yè)應(yīng)用

日本三井造船株式會社，通過摩擦攪拌焊接工藝技術(shù)，制造出客貨兩用的船只，此船能夠承載740名左右的乘客與210t的貨物。此船也順利通過2m高左右海浪測試。美國華盛頓某大型造船企業(yè)，通過對摩擦攪拌焊接工藝技術(shù)的有效應(yīng)用，成功生產(chǎn)制造出X-Craft級別的軍艦鋁制甲板，此艦艇也被稱為SeaFighter。

鋁合金船舶具有較為豐富的種類，如長度為5m左右的充氣艇，長度為50m左右的軍用巡邏艇，或是長度為200m左右的豪華游輪等。所以，船舶制造工業(yè)需使用規(guī)格類型各不相同的鋁板[3]。

2003年，中國攪拌摩擦焊中心曾為常州某企業(yè)研發(fā)設(shè)計，并組裝生產(chǎn)出國內(nèi)首條攪拌摩擦焊工業(yè)生產(chǎn)線。此生產(chǎn)線可以焊接尺寸達(dá)到2600mm×1100mm規(guī)格的6mm厚鋁板，產(chǎn)品也在軌道交通運輸?shù)刃袠I(yè)領(lǐng)域獲良好效應(yīng)用。2006年，從生產(chǎn)、重量與運輸?shù)雀鞣矫孀龀鼍C合考慮之后，中國攪拌摩擦焊中心通過科學(xué)研發(fā)，設(shè)計制造出中國首臺寬幅船舶鋁合金壁板攪拌摩擦焊設(shè)備。此設(shè)備以分體方梁設(shè)計模式為主，焊接設(shè)備主體以及液壓壓緊橫梁分離。零件夾緊力不但不會致使工件出現(xiàn)位移，同樣不會對設(shè)備主體工作精度產(chǎn)生不利影響。專門研發(fā)設(shè)計的CNC攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)，被設(shè)計成獨立單元，能夠基于焊接參數(shù)完成相應(yīng)的科學(xué)設(shè)定以及合理調(diào)整。系統(tǒng)提供各不相同的控制模式，可基于各不相同零件以及結(jié)構(gòu)，選擇閉環(huán)位置或是閉環(huán)壓力控制模式。此設(shè)備能夠?qū)穸葹?-6mm鋁合金板材進(jìn)行有效焊接，最大工作尺寸能夠達(dá)到60㎡。

CFSWT設(shè)備能夠用在高速鋁合金船舶寬幅加強板批量生產(chǎn)。通過摩擦攪拌焊工藝技術(shù)對鋁合金壁板進(jìn)行焊接之后，中國鋁制船舶制造工業(yè)獲得良好發(fā)展，并進(jìn)入全新時代。首先，摩擦攪拌焊使壁板批量生產(chǎn)現(xiàn)場焊接問題得到有效解決。與此同時，此項工藝技術(shù)同樣使船舶設(shè)計得到相應(yīng)的簡化。更為關(guān)鍵的在于，造船工程師對僅結(jié)構(gòu)和船舶材料進(jìn)行綜合考慮與科學(xué)設(shè)計階段，有了更為豐富的選擇。第一，摩擦攪拌焊能夠?qū)A6082與防腐材料AA5083完成有效焊接;第二，能夠?qū)D壓或是軋制的零件同鑄件完成有效焊接;第三，能夠完成對薄板以及厚板的有效焊接;第四，能夠完成摩擦攪拌焊以及熔焊復(fù)合焊接，如使用摩擦攪拌焊，對橫梁同板材進(jìn)行有效焊接，如圖1。

通過摩擦攪拌焊工藝技術(shù)的有效應(yīng)用，使船廠焊接工作量得到有效降低。船舶制造從現(xiàn)場手動轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線，使生產(chǎn)效率獲得相應(yīng)的提升。與此同時，摩擦攪拌焊之后，鋁板殘余應(yīng)力相對較低，結(jié)構(gòu)變形同樣得到有效改善。鑒于此，傳播部件安裝可以保證更為精確，船舶最終形狀的傳播精度同樣獲得質(zhì)的提升?，F(xiàn)階段，摩擦攪拌焊壁板位于我國大部分船舶制造成獲得相應(yīng)的推廣與應(yīng)用。同時，寬幅鋁合金壁板同樣位于大部分船舶制造項目獲得有效應(yīng)用，部分有我國設(shè)計生產(chǎn)制造的產(chǎn)品，同樣出口到眾多國家，在傳播制造方面獲得有效應(yīng)用，如圖2[4]。

結(jié)論：

綜上所