铝合金艇体及其制造工艺

第三节　铝合金艇体及其制造工艺

铝合金材料与传统的造船钢材相比较，具有重量轻、比强度高、耐海水腐蚀、易加工等优点，目前已成为游艇建造的第二大艇体用材，尤其在中、小型高性能船艇中得到了广泛应用。

若从成本考虑，每吨铝的成本要比钢铁高得多。但如果从节省每吨艇体重量所带来的功率节约方面综合考虑的话，在高速游艇上使用铝合金仍然是合算的。

在2008悉尼国际游艇展上，越来越多的游艇采用铝合金材料作为艇体用材已是十分明显的趋势。室内展出的小型游艇约有一半为铝合金游艇。究其原因，不仅仅是因为铝合金艇体结构使用寿命长和维修保养的方便性，更为重要的原因是铝合金在制造、使用、维护、维修、寿命期满可回收再生利用等方面具有玻璃钢所无法比拟的环保优势。

由于受到铝合金材料焊接技术及制造工艺的限制，用铝合金作为艇体材料走过了一段漫长的过程。20世纪60年代以前，我国中小型高性能艇体材料主要是钢材和木材，仅仅在部分军用快艇上开始应用铝合金作为艇体材料。70年代后期，对使用铝合金材料的上层建筑结构开始采用铆焊混合连接形式，并开始对全焊接的铝合金船艇进行试制研究。80年代后期，在中小型高速艇的铝合金上层建筑中已采用全焊接结构形式，90年代又逐渐扩展到主艇体采用全铝合金焊接结构形式，如铝合金导弹快艇、水翼艇及“海峡”号穿浪双体船等。采用铝合金材料建造高速船艇（图4-17）已成为当前船舶建造领域的一个热点。

图4-17　铝合金艇体

一、艇体用铝合金材料

艇体用铝合金应具有良好的耐海水腐蚀性和焊接性。常用铝合金牌号的化学成分见表4-2。

表4-2　铝合金的化学成分/%

（续表）

注：①其他元素包括Ni，Ga，V和其他未显示成分限制的元素，常规试验时不必分析；

②0.10%≤Mn＋Cr≤0.60%；

③0.12%≤Mn＋Cr≤0.50%；

④Zr≤0.20%，其他元素的总量中不包括锆（Zr）；

⑤0.05%≤Zr≤0.25%，其他元素的总量中不包括锆（Zr）。

轧制成形铝合金在各种状态下的力学性能应达到表4-3的要求，这也是船艇设计者进行结构设计和强度计算的依据。

表4-3　轧制成形铝合金板和带材的力学性能

（续表）

（续表）

说明：最低伸长率指标根据拉伸试样的形状和尺寸有所不同，表中50mm为板状试样的标距长度；对圆柱形试样来说，标距取5d，d为试样中间部分的直径。

交货状态说明：0——退火状态；H111——退火后经过轻微加工处理（如矫正等）；H112——热加工成形的状态；H116——对Mg超过4.0%的铝合金，进行防腐蚀处理后的状态；H32——加工硬化后进行稳定化处理至1/4硬度；H321——加工硬化后进行稳定化处理至稍低于H32的硬度；H34——加工硬化后进行稳定化处理至1/2硬度。

二、铝合金艇体建造工艺

铝合金艇体的结构与钢质艇体结构十分相似，也是先在平台上制作肋骨框架和横舱壁，然后用纵向的龙骨、底纵桁、边纵桁和甲板纵桁连接成艇体框架，如图4-18所示。

图4-18　制作铝合金艇体框架

铝合金艇体建造的难点是焊接工艺比较复杂，焊接引起的变形和收缩比较大，因此一定要采用先进的焊接技术，制订合理的工艺方案和控制变形的措施，才能使制成的艇体外表平整，线型光顺。

三、铝及铝合金的焊接特点

（1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al₂O₃）熔点高、非常稳定，不易去除，阻碍母材的熔化和熔合。氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。

铝材的表面氧化膜会吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。

（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（8）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，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

四、铝合金焊接技术的演变

虽然全铝合金焊接技术在船体结构中得到了广泛的应用，但是，由于铝合金材料的弹性模量较低，刚度较差，在焊接过程中由于高温熔化，冷却后产生的变形很大，尤其是薄板焊接后的变形更为严重。这种薄板焊接产生的较大变形很难校平，不但在外观上带来外形很差的影响，而且采用传统的MIG焊（金属极惰性气体保护焊）与TIG焊（钨极惰性气体保护焊）的焊接方法，其焊接接头处的强度远远低于母材的强度，通常仅为母材的50%～60%左右。这就降低了艇体结构强度，并间接地带来增大结构尺寸，增加结构重量的问题。另外，传统的焊接方法所需要的大量焊缝充填料（即焊丝）价格昂贵，浪费较大，焊接效率较低，易产生焊接气孔、裂纹等缺陷，焊缝合格率较低，且对焊工的要求也较高，种种因素都直接影响到铝合金艇体的建造质量及艇体强度。为解决上述存在的问题，寻找新的铝合金焊接工艺成为当前铝合金船艇建造所急需解决的课题。搅拌摩擦焊的发明为铝合金焊接工艺提供了一种新技术，使铝合金船艇的建造进入一个新的阶段。

在搅拌摩擦焊接发展的同时，爆炸焊接技术和爆炸成型技术也得到了发展。

（一）惰性气体保护焊

惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。

惰性气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便；没有熔渣或很少熔渣，无需焊后清渣。但在室外作业时须采取专门的防风措施。

根据焊接过程中电极是否熔化，气体保护焊可分为不熔化极（钨极）气体保护焊和熔化极气体保护焊。

钨极惰性气体保护焊英文简称TIG（Tungsten Inert Gas Welding）焊。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得优质的焊缝。保护气体可采用氩气、氦气或氩氦混合气体。用氩气作为保护气体的称钨极氩弧焊，用氦气的称钨极氦弧焊，由于氦气价格昂贵，在工业上钨极氩弧焊的应用要比氦弧焊广泛得多。

钨极氩弧焊按操作方式分为手工焊、半自动焊和自动焊3类。手工钨极氩弧焊时，焊枪的运动和添加填充焊丝完全靠手工操作；半自动钨极氩弧焊时，焊枪运动靠手工操作，但填充焊丝则由送丝机构自动送进；自动钨极氩弧焊时，如工件固定电弧运动，则焊枪安装在焊接小车上，小车的行走和填充焊丝可以用冷丝或热丝的方式添加。热丝是指提高熔敷速度。某些场合，例如薄板焊接或打底焊道，有时不必添加填充焊丝。

由于氩弧焊的保护作用好，热量集中，焊缝质量好，成形美观，热影响区小和焊件的变形小，因此对质量要求高的铝及铝合金构件常用氩弧焊焊接。

钨极氩弧焊一般适用于焊接薄板，具有电弧稳定、成形美观、焊件变形小、操作灵活等优点，在焊接尺寸精密的小零件时更为合适。钨极氩弧焊的电源应采用交流电源，这样既对熔池表面铝的氧化膜有阴极破碎作用，也可采用较高的电流密度。

熔化极气体保护电弧焊英文简称MIG（Metal Inert Gas Welding）焊。这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。

熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快，熔敷率较高的优点。

熔化极氩弧焊适用于焊接厚度大于8mm以上的铝或铝合金板材，可选用大的电流密度和高的焊接速度，因此生产率比钨极氩弧焊提高3～5倍，焊件越厚，生产率提高越显著。熔化极氩弧焊应采用直流电源反接，对熔池表面的氧化膜有阴极破碎作用。

铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。

（二）搅拌摩擦焊^［1］

搅拌摩擦焊（简称FSW）是1991年由英国焊接研究所发明的专利，它是一种新型纯机械化固相连接技术。

搅拌摩擦焊的简单原理是利用一个柱形带特殊轴肩的搅拌头，以一定的转速插入被焊构件的焊接处，并以一定的速度向前移动。搅拌头和被焊材料之间的摩擦产生摩擦热，使搅拌头临近区域的材料受热变软从而得到热塑化。当搅拌头受到驱动沿着待焊界面向前缓慢移动时，热塑化的材料由搅拌头的前部向后部移动，并且在搅拌头轴肩的锻造压力作用下，实现工件之间的固相连接。

在搅拌焊接过程中，被焊工件需牢牢地固定，且在焊缝背面加衬垫，以防止工件受搅拌头作用而分开以及塑性金属的流失（图4-19）。

图4-19　搅拌摩擦焊原理图

搅拌摩擦焊的优点是：

（1）焊接过程中不需要充填焊丝、惰性保护气体、昂贵的专用供电设备及焊接设备，运行成本较其他的焊接方法低。

（2）在焊接过程中无弧光、无辐射、无烟尘、无有害气体，是一种绿色环保的焊接方法。

（3）能焊接所有牌号的铝合金，包括传统熔化焊所不能焊接的2000系列、7000系列铝合金及铝锂合金等。对于不能焊接的LY系列硬铝合金，可用搅拌摩擦焊接替代铆接连接。另外，也有用FSW焊接铸件和压延材料的实例。

但是，搅拌摩擦焊也并不是十全十美的，目前尚存在的主要缺点包括：由于焊缝不形成增强焊波，难以用于填角焊等焊接，其接头形状有限制；焊接形式受限，目前只适用于直线焊接，无法实现曲线焊接；焊缝的始端和终端有残孔。

在铝合金艇体建造中，带筋板的应用是一个新的突破。搅拌摩擦焊的应用扩大了带筋铝板的应用范围。带筋板是一种筋与板整体挤压成型的板结构，我国已在“海峡”号穿浪双体船上应用，由于它减少了艇体扶强材（如肋骨、肋板、横梁等）与壳板的焊接工作量，用带筋板制造的艇体确实具有焊后变形小、外观平整的优点。但这种板材受到挤压设备和模具的影响，其筋材大小、间距不能随意变动，给设计建造带来一些困难。同时，带筋板挤压成型目前仅限于6082、1561M等系列的铝合金，而对于冷作硬化的5083、5456等高强度耐海水腐蚀的铝合金暂时还不能挤压成型（目前对5083铝合金的挤压带筋板已试制成功）。应用搅拌摩擦焊技术后，即可把宽度较小的带筋板组合拼接成所需宽度的大面积带筋板，又可将不同牌号的铝合金板跟不同牌号的铝合金型材组合焊接成不同骨材间距的大宽度整体带筋板。图4-20即是由5个250mm宽的5000系列挤压铝材连接而成的带筋船壳板的实例。搅拌摩擦焊后的成品板尺寸是1 250mm×5 000mm，具有良好的平整性和优秀的机械性能，这些板材被用于船舱的隔壁。

图4-20　带筋板

搅拌摩擦焊的最初商业应用是渔船中的鱼肉低温冷藏舱空心铝板的制造，如图4-21所示，这些壁板是由搅拌摩擦焊连接的挤压铝板做成。日本发表了搅拌摩擦焊用于铝合金蜂窝结构板的最新工艺应用实例（图4-22）。

图4-21　渔船冷藏舱壁板

图4-22　搅拌摩擦焊连接蜂窝结构板

现在，搅拌摩擦焊接板已经被用在全世界的高速渡船、气垫船和大型游艇上。美国华盛顿Freeland的尼科尔斯兄弟造船公司将搅拌摩擦焊铝板用在了航速达55kn的X-Craft级别的军用艇上，该艇被命名为Sea Fighter。

采用搅拌摩擦焊的铝合金船艇的种类繁多，有5m长的充气艇、50m长的军用巡逻艇，甚至200m长的豪华游轮。例如大型豪华游轮“Star Princess”号，25%的船用铝合金壁板构件采用了搅拌摩擦焊技术，总体成本降低约5%。在我国新研制的双体穿浪隐形导弹快艇的宽幅铝合金壁板的制造上也采用了搅拌摩擦焊技术。2003年，我国常州一家公司建立了第一条搅拌摩擦焊工业用生产线。该生产线能焊接2 600mm×1 100mm尺寸的6mm厚度的铝板，产品用于轨道交通运输工业的各种铝合金型材。2006年，中国搅拌摩擦焊中心设计制造了中国第一台宽幅船舶铝合金壁板搅拌摩擦焊设备。该设备可焊接2～6mm厚度的铝合金板材（图4-23），最大工作尺寸达到60m²（12m×5m）。

图4-23　宽幅铝合金搅拌摩擦焊设备

该设备可用于高速铝合金船艇宽幅加强板的批量生产。采用搅拌摩擦焊焊接铝合金壁板后，中国铝合金船艇制造工业进入了一个新时代。首先，搅拌摩擦焊解决了壁板批量生产的现场焊接问题；同时该项技术简化了船舶设计工作；更重要的是，造船工程师在考虑和设计新结构及选用材料方面有了更多的选择余地。

采用搅拌摩擦焊的批量生产还可以减轻船厂的焊接工作量。船舶制造由现场手工操作变成了标准化生产线，生产效率因此大大提高。并且，搅拌摩擦焊后的铝板残余应力很低，结构变形得到大幅改善。迄今，搅拌摩擦焊壁板已经在大连、上海、武汉、广西、广东等多家船厂得到推广。宽幅铝合金壁板已经在多个船艇制造项目中得到成功应用，部分中国设计制造的铝合金船只已经出口越南、密克罗尼西亚等国家。

（三）爆炸焊接

爆炸焊接是用炸药作能源进行金属间焊接的一门新兴的边缘学科和很有实用价值的高新技术。它的最大特点是在一瞬间能够将相同的、特别是不同的和任意的金属组合简单、迅速和强固地焊接在一起。它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。

以爆炸复合板为例，爆炸焊接的过程能够这样地来描述：如图4-24所示，置于地面之上的两块金属板（例如铝板和钢板）以一定的间隙距离支撑起来，当均匀布放在覆板上面的炸药被雷管引爆之后，爆轰波和爆炸产生的能量便在其上传播，使覆板向下运动并加速，随后高速向基板倾斜撞击。借助该撞击过程将覆板高速运动的动能在撞击面上转变成金属之间的焊接能，使它们强固地焊接在一起。

图4-24　爆炸焊接过程

1—雷管；2—炸药；3—覆板；4—基板；5—基础（地面）；V_d—爆轰速度；V_p—覆板下落速度；V_cp—碰撞点S的移动速度、即焊接速度

由于覆板和基板在高压、高速、高温和瞬时下倾斜撞击，在它们的接触面上将发生许多的物理和化学过程（即冶金过程），例如界面两侧一薄层金属的塑性变形、熔化和原子间的扩散等。不同的金属材料就是在这些冶金过程中实现冶金结合的。

在游艇上用得最多的爆炸焊接复合材料是铝和钢的复合材料。因为大型游艇往往用钢材制作船体，而用铝合金做上层建筑。过去铝合金上层建筑是用铆钉铆接到钢质甲板上去的，不仅工艺复杂，而且铝和钢贴合在一起会产生电化腐蚀，降低使用寿命。现在有了通过爆炸焊接形成的铝钢复合板条，就可以把这种板条钢质的一边焊接到钢甲板上，则上边是铝合金材料，就可以采用传统的铝合金熔化焊接技术与铝合金上层建筑焊接起来，大大增强了钢和铝的连接强度。这种钢和铝的复合板条可以向供应商定制，提高了游艇制造的效率。

澳大利亚还把这种高能率成型技术用来成型小艇的船首。首先利用搅拌摩擦焊把壳板拼接成所需形状，然后安置在模具里。引爆炸药前，模具里是装满水的，图4-25是引爆炸药时的情景。最终完成的结构部件被安装到一艘海洋游船上（图4-26）。

图4-25　船头部分高能率成型时引爆炸药的情景

图4-26　海洋游船上爆炸成型的船头部分