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铝合金船舶的摩擦搅拌焊接工艺研究

潘雷

摘  要：摩擦搅拌焊属于全新固态连接技术，通过摩擦搅拌焊工艺技术能够对超薄铝合金板材进行有效对接，同样可完成角接与圆通纵缝的有效焊接。关于铝合金船舶方面，对摩擦搅拌焊接工艺的应用有着重要的影响和意义。基于此，本文对鋁合金船舶的摩擦搅拌焊接工艺进行分析研究。
关键词：铝合金船舶;摩擦搅拌焊：工艺
前言：
英国焊接研究所率先研制的摩擦搅拌焊（FSW），是使用耐磨旋转工具，对铝、镁、铜等板材或是型材等进行有效连接的全新工艺。焊接件始终处于不超过熔点的固相状态。当前，锌、铅、钛、镍以及钢等材料摩擦搅拌焊依然处在试验阶段。热输入相对较低，且焊缝表面性对光滑，使FSW具备优秀的力学性能以及地变形等优势特点。因为摩擦搅拌焊接工艺处于温度相对较低环境状态下进行，所以能够对蜂窝结构或是夹层板铝制蒙皮进行有效焊接，并防止出现内外分层的现象。低温环境状态下的摩擦搅拌焊同样能够对异种材料进行有效焊接。位于造船行业领域，大多数公司均运用摩擦搅拌焊接工艺对大型铝合金甲板进行有效焊接，并有着良好的应用效果。
一、摩擦搅拌焊在造船中的应用
（一）冷藏箱壁板
摩擦搅拌焊接工艺，其余主要在渔船低温冷藏使用的空心铝板制造中进行使用。此类铝板主要通过摩擦搅拌焊接挤压铝板而形成。变形相对较小且重复性相对较高的优势特点，使摩擦搅拌焊不论技术或是经济方面，均称为生产此种壁板非常关键的重要工艺技术。
（二）蜂窝结构板和防腐板
日本曾发表有关摩擦搅拌焊接工艺的全新应用，此项工艺被应用于蜂窝结构板以及海水防水板的焊接制造方面。关于海水防水板，使通过5个宽度为250mm，规格型号为5000系列挤压铝材共同连接形成，摩擦搅拌焊接之后的尺寸则为1250mm×5000mm。由于其焊接结构具有优秀的平整性以及力学性能，此类板材也被用于船舱舱体壁板方面[1]。
（三）用于高速渡轮甲板和舱体结构的板材
用于高速渡轮之中的宽幅铝合金板，可通过摩擦搅拌焊进行焊接制造，从而投入具体的使用之中，此类板材均为挤压铝材，能够以标准尺寸进行挤压生产制造。同熔焊进行对比，此方法热输入相对较低，且变形相对较小，使热应力得以有效降低。于1996年至1999年，挪威一家大型铝业企业已经完成生产，同时交付使用共计1700件铝板，总焊接长度约为110km。因为此类板材仅纵向应对相对较高，所以能够对其采取卷扎方便进行陆运运输。海运运输期间，可采取多层堆放。
摩擦搅拌焊接应在全球方位得到有效应用，如高速渡轮与大型游轮或是石油钻塔等方面。总装过程中，为达到节省时间的目的，通过起吊机械直接吊装大型预制铝板至船体。瑞典一家大型铝型材企业通过应用摩擦搅拌焊接进行焊接，总韩额吉长度约为2000km。摩擦搅拌焊特许使用企业，对于各不相同项目，运用适宜的焊接工艺参数完成焊接[2]。
（四）爆破成形的游轮船身
澳大利亚Adelaide大学机械工程学院，曾研制出适用于制造全新游轮的样机。此设备运送至基础研究院，并用于技术含量相对较低的有关造船厂进行实际使用。
对于厚度为5mm的5083 H321铝合金船头部分，通过摩擦搅拌焊接工艺焊出相应的焊缝，焊接速度控制在35mm/min。摩擦搅拌焊接之后，通过高能率成形获得船头部分。爆破板秃顶位于铝板之上，并安装位于具体的模具之中。引爆炸药之前，模具内部盛满水。成形的结构板，只有在游轮上进行安装。
二、搅拌摩擦焊在船舶制造上的工业应用
日本三井造船株式会社，通过摩擦搅拌焊接工艺技术，制造出客货两用的船只，此船能够承载740名左右的乘客与210t的货物。此船也顺利通过2m高左右海浪测试。美国华盛顿某大型造船企业，通过对摩擦搅拌焊接工艺技术的有效应用，成功生产制造出X- Craft 级别的军舰铝制甲板，此舰艇也被称为Sea Fighter。
铝合金船舶具有较为丰富的种类，如长度为5m左右的充气艇，长度为50m左右的军用巡逻艇，或是长度为200m左右的豪华游轮等。所以，船舶制造工业需使用规格类型各不相同的铝板[3]。
2003年，中国搅拌摩擦焊中心曾为常州某企业研发设计，并组装生产出国内首条搅拌摩擦焊工业生产线。此生产线可以焊接尺寸达到2600mm×1100mm规格的6mm厚铝板，产品也在轨道交通运输等行业领域获良好效应用。2006年，从生产、重量与运输等各方面做出综合考虑之后，中国搅拌摩擦焊中心通过科学研发，设计制造出中国首台宽幅船舶铝合金壁板搅拌摩擦焊设备。此设备以分体方梁设计模式为主，焊接设备主体以及液压压紧横梁分离。零件夹紧力不但不会致使工件出现位移，同样不会对设备主体工作精度产生不利影响。专门研发设计的CNC搅拌摩擦焊控制系统，被设计成独立单元，能够基于焊接参数完成相应的科学设定以及合理调整。系统提供各不相同的控制模式，可基于各不相同零件以及结构，选择闭环位置或是闭环压力控制模式。此设备能够对厚度为2-6mm铝合金板材进行有效焊接，最大工作尺寸能够达到60㎡。
CFSWT设备能够用在高速铝合金船舶宽幅加强板批量生产。通过摩擦搅拌焊工艺技术对铝合金壁板进行焊接之后，中国铝制船舶制造工业获得良好发展，并进入全新时代。首先，摩擦搅拌焊使壁板批量生产现场焊接问题得到有效解决。与此同时，此项工艺技术同样使船舶设计得到相应的简化。更为关键的在于，造船工程师对仅结构和船舶材料进行综合考虑与科学设计阶段，有了更为丰富的选择。第一，摩擦搅拌焊能够对AA6082与防腐材料AA5083完成有效焊接;第二，能够将挤压或是轧制的零件同铸件完成有效焊接;第三，能够完成对薄板以及厚板的有效焊接;第四，能够完成摩擦搅拌焊以及熔焊复合焊接，如使用摩擦搅拌焊，对横梁同板材进行有效焊接，如图1
通过摩擦搅拌焊工艺技术的有效应用，使船厂焊接工作量得到有效降低。船舶制造从现场手动转变为标准化生产线，使生产效率获得相应的提升。与此同时，摩擦搅拌焊之后，铝板残余应力相对较低，结构变形同样得到有效改善。鉴于此，传播部件安装可以保证更为精确，船舶最终形状的传播精度同样获得质的提升。现阶段，摩擦搅拌焊壁板位于我国大部分船舶制造成获得相应的推广与应用。同时，宽幅铝合金壁板同样位于大部分船舶制造项目获得有效应用，部分有我国设计生产制造的产品，同样出口到众多国家，在传播制造方面获得有效应用，如图2[4]。
结论：
综上所述，搅拌摩擦焊接工艺技术，位于铝合金等熔点相对较低的材料焊接方面有着非常明显的优势特点，搅拌摩擦焊的深入研究以及有效应用，通常以铝镁合金材料为主，且位于船舶制造行业领域获得良好应用。因此，务必重视对铝合金船舶的摩擦搅拌焊接工艺进行深入研究，以此促进船舶制造行业的稳定良好发展。
参考文献
[1]  季亚娟，蒋成禹，严铿.铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究[J].华东船舶工业学院学报，2004，216（125）：123-125.
[2]  季亚娟，蒋成禹，严铿.铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究[J].华东船舶工业学院学报，2004，138（01）：68-71.
[3]  Fred Delany，Stephan W Kallee，Mike J Russell.铝合金船舶的搅拌摩擦焊接工艺[J].焊接，2007，000（005）：7-15.
[4]  王洪乙，胡要武，涂国华，等.搅拌摩擦焊在铝合金船舶上的应用[J].中国舰船研究，2006，001（003）：62-65.

-全文完-