鋁合金管在船舶中的應用與發展

陳琳

摘要：隨著新型鋁合金管材料的研發技術的不斷發展，鋁合金管材料開始在船舶中的應用逐步增多。鋁合金管因為其密度小，力學性能較好以及加工工藝性能好，易于焊接、耐低溫等許多優點，特別適用于制造船舶上的諸多零部件。本文從評估鋁合金管的自身特性出發，研究其焊接工藝要求，分析船舶上使用是鋁合金管材料的三類結構，為以后此類材料的焊接工藝提供高效的焊接方法，并拓展其應用空間。

關鍵詞：鋁合金管；船舶；鋁合金管焊接技術；

中圖分類號： TG146. 21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

前言：鋁和鋁合金具有良好的耐腐蝕性，導電性等，其理化特性決定可以廣泛的應用于航天航空、石油化工和船舶制造等領域，對這些行業的發展進步作出了巨大貢獻。但是鋁自身由于密度小，強度高，在焊接工藝中存在氧化、氣孔和燒穿等問題。本文從其焊接工藝出發，研究改進其焊接，以更好的運用于船舶制造，拓展其利用空間，加深其利用價值。

1、鋁及鋁合金管制品的理化性質及焊接注意的性能

鋁這種材料具有密度小，礦產資源豐富，價格較為適中，易于加工，強度較高，沒有磁性，可焊接特別是具有優良的摩擦攪拌焊接（ FSW） 的性能，同時鋁制材料抗腐蝕性較強，無低溫易脆性，在低溫下鋁合金管的強度與塑性（伸長率、壓縮性、韌性）均有著隨著溫度的降低而均衡上升的現象，其可以在- 200℃以下或更低的溫度下工作，并且不易出現變形，鋁合金管的高溫性能尚可，雖不能在180℃以上長期工作，但仍然可以滿足船舶上的材料需求，可回收性較好等，因而鋁合金管很適用于制造船舶的一些部件。為了減輕船舶的質量，增大船舶的載重量，鋁合金管質材料是很好的制造船體、上層建筑及其他儀器設備的首選材料。鋁合金管在船舶上的應用和發展在不斷的加深，技術要求也不斷提高，但是鋁在焊接過程中出現的問題在一定程度上制約了其發展，導致其應用受限。本文分析其焊接工藝中也出現的一些問題，下文進行了研究和分析。

1.1 鋁制材料氧化性能極強，易氧化：在常溫條件下，鋁的表面就覆蓋著一層致密的保護膜，是被氧化的氧化鋁薄膜，能防止鋁制品的持續被氧化，還對內部的鋁材料有很強的保護作用。從熔點上來看，鋁的熔點為600℃，而氧化鋁卻達到了2050℃，因此在焊接鋁合金管的過程中，這層氧化鋁薄膜會阻礙金屬之間的溶合，在有空氣進入的時候，會出現氣孔，是鋁合金管的焊接出現焊接不穩、不牢固的情況。

1.2 鋁合金管在焊接過程中易形成氣孔：從化學原理來看，氫能大量的溶于液態鋁，而幾乎不溶于固態的鋁合金管材料，因此在焊接結束時，液態鋁中的氫會大量析出，在焊接表面形成氣泡；并且鋁合金管在焊接時，因鋁的導熱性強，冷凝速度快，會由于析出的氣泡而造成焊接時易產生氣孔，既造成了焊接表面不美觀，也大大降低了焊接的成功率。

1.3 鋁合金管等材料具有較大的導熱系數和比熱容：在導熱系數上可以看出，鋁制品的導熱系數比鋁稍微較低，但鋁的導熱系數是鋼的4倍，因此在焊接過程中，鋁合金管需要更高的溫度和能量，有時也可采用預熱等工藝措施。需要選擇功率更大的熱源和在焊接工具的選擇上也要求更為嚴格。

1.4 鋁合金管在焊接過程中易燒穿和塌陷：鋁合金管在超高溫焊接時，在其有液態變成固態時，沒有明顯的顏色和其他的指示性變化，因此，對溶化池的溫度很難判斷，也不易掌握熔化溫度，因此現實中會經常出現焊接時，因對鋁合金管溫度的判斷不準，過高導致鋁合金管材料的燒穿或嚴重塌陷，對鋁合金管也是一種浪費和消耗。

1.5 鋁合金管在焊制過程中易形成熱裂紋現象：鋁的線性膨脹系數和結晶收縮率相對于鋼大約是它的一倍，因此高溫焊機過程中易產生較大的焊接變形和應力，導致裂紋產生。

1.6 鋁合金管材料元素易蒸發、燒損，使焊縫性能下降。鋁合金管材料較多，每種材料的熔點等不相同，在焊接過程中，母材基體金屬若變形強化或固化時效強化時，焊接時的熱量會使熱影響到的區域的強度下降，對焊接性能減低。

對以上鋁合金管材質等特征，焊接時，從鋁合金管坡口設計制備、焊接口的清理、焊制材料的選擇上、焊接方法的使用等都需要綜合性的考慮。

2、鋁合金管的焊接工藝要求

2.1 在焊接材料上的選擇。原則上，焊絲應選擇與鋁合金管材質相同或相近的焊絲材料，并且經過去污過氧化膜處理。氬弧焊接時，氬氣的純度應該達到>99.95%。2.2 對鋁合金管焊接后的敲打融合上工具的選擇。鋁管的機械強度較低，表面容易受損，因此不能在水泥地面或者鐵臺上操作，也不能有鐵錘進行敲擊，應該在木質臺面上或墊有膠皮的平臺上組對，用木錘找正。2.3 因鋁合金管應用于船舶建造上，其使用性能特殊，故在焊接時應選擇有經驗的焊工進行施工操作，并且對焊接的工藝數據等進行嚴格的控制。2.4 焊接時采用大電流，快速焊。由于在焊接過程中用大電流，快速焊，焊透焊縫、熔化金屬受熱時間短，吸收氣體的機會少，收弧時注意填滿弧坑；停弧后，要延遲停氣6 s。2.5 焊前要預熱。由于鋁的導熱系數大，熱量傳導快，如果不預熱，鋁在焊接中容易吸收氣體產生氣孔，同時作為填充金屬的焊絲熔化很快，鋁管本身熔化很慢，二者之間結合很不好，通過預熱，可以降低焊接接頭的冷卻速度，使焊縫中的氣體有足夠的時間逸出。預熱溫度為250-350℃，可采用火焰預熱。

3、鋁合金管在船舶中的應用與發展

由于鋁自身的特性和其焊接工藝的不斷改進，在船舶升級發展中，鋁合金廣泛應用在船舶中，大體上可以分為三類。1，一類結構。一類機構指的是結構件主要以強度為主要因素。比如大型船舶的甲板室、船體、導彈發射筒等。2013年美國下水的航空母艦“福特艦”其發射軌道就是鋁合金結構。2，二類結構。二類結構相對一類機構而言，是指受力較小的結構，比如油箱、水箱、門窗、蓋、衛生設施、擋風板等等，這些物件多用合金材料制造而成，廣泛應用在船艦制造中。3，三類結構。三類結構不同于一二類結構，不以強度為主要因素，而是多為功能材料，用于制造船艙內部裝飾和隔熱，隔聲的材料，并且可以抗腐蝕。例如泡沫鋁板廣泛應用在潛艇發動機室作為隔聲材料。而且鋁板表面還可以做扎花、印刷等深加工，作為船艦的內部裝飾，也可以作為門窗，既增加美觀性，又增加實用性。

鋁和鋁合金管在船舶中的應用主要分為此三類結構，其應用具有廣泛的歷史和擴大的市場，隨著船舶技術的發展，其應用也逐漸延伸和深入，采用鋁材料制成的船艦內部材料具有耐用性和持久性，可以促進船艦性能的提高。

結束語：通過對鋁及鋁合金管制品的理化性質及焊接工藝的了解，分析了鋁合金管在焊接過程中應注意的要素，對焊接過程中的各種影響因素進行嚴格的控制，就會有效的避免焊接中各種誤差的發生，能有效的提高焊接質量和焊接效率。因此在船舶建造中，對鋁合金管的應用和發展都應關注其的焊接工藝，鋁合金管的焊接工藝的提升，能夠加強它在船舶上的使用分量，可以更好的發揮其作用。拓寬其應用的范圍和空間，使之未來的發展更具前景和市場。

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