鋁合金船舶的摩擦攪拌焊接工藝研究

潘雷

摘? 要：摩擦攪拌焊屬于全新固態連接技術，通過摩擦攪拌焊工藝技術能夠對超薄鋁合金板材進行有效對接，同樣可完成角接與圓通縱縫的有效焊接。關于鋁合金船舶方面，對摩擦攪拌焊接工藝的應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行分析研究。

關鍵詞：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），是使用耐磨旋轉工具，對鋁、鎂、銅等板材或是型材等進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。當前，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具備優秀的力學性能以及地變形等優勢特點。因為摩擦攪拌焊接工藝處于溫度相對較低環境狀態下進行，所以能夠對蜂窩結構或是夾層板鋁制蒙皮進行有效焊接，并防止出現內外分層的現象。低溫環境狀態下的摩擦攪拌焊同樣能夠對異種材料進行有效焊接。位于造船行業領域，大多數公司均運用摩擦攪拌焊接工藝對大型鋁合金甲板進行有效焊接，并有著良好的應用效果。

一、摩擦攪拌焊在造船中的應用

（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性相對較高的優勢特點，使摩擦攪拌焊不論技術或是經濟方面，均稱為生產此種壁板非常關鍵的重要工藝技術。

（二）蜂窩結構板和防腐板

日本曾發表有關摩擦攪拌焊接工藝的全新應用，此項工藝被應用于蜂窩結構板以及海水防水板的焊接制造方面。關于海水防水板，使通過5個寬度為250mm，規格型號為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。由于其焊接結構具有優秀的平整性以及力學性能，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構的板材

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，能夠以標準尺寸進行擠壓生產制造。同熔焊進行對比，此方法熱輸入相對較低，且變形相對較小，使熱應力得以有效降低。于1996年至1999年，挪威一家大型鋁業企業已經完成生產，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對相對較高，所以能夠對其采取卷扎方便進行陸運運輸。海運運輸期間，可采取多層堆放。

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

（四）爆破成形的游輪船身

澳大利亞Adelaide大學機械工程學院，曾研制出適用于制造全新游輪的樣機。此設備運送至基礎研究院，并用于技術含量相對較低的有關造船廠進行實際使用。

對于厚度為5mm的5083 H321鋁合金船頭部分，通過摩擦攪拌焊接工藝焊出相應的焊縫，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，模具內部盛滿水。成形的結構板，只有在游輪上進行安裝。

二、攪拌摩擦焊在船舶制造上的工業應用

日本三井造船株式會社，通過摩擦攪拌焊接工藝技術，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，通過對摩擦攪拌焊接工藝技術的有效應用，成功生產制造出X- Craft 級別的軍艦鋁制甲板，此艦艇也被稱為Sea Fighter。

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，船舶制造工業需使用規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研發設計，并組裝生產出國內首條攪拌摩擦焊工業生產線。此生產線可以焊接尺寸達到2600mm×1100mm規格的6mm厚鋁板，產品也在軌道交通運輸等行業領域獲良好效應用。2006年，從生產、重量與運輸等各方面做出綜合考慮之后，中國攪拌摩擦焊中心通過科學研發，設計制造出中國首臺寬幅船舶鋁合金壁板攪拌摩擦焊設備。此設備以分體方梁設計模式為主，焊接設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位移，同樣不會對設備主體工作精度產生不利影響。專門研發設計的CNC攪拌摩擦焊控制系統，被設計成獨立單元，能夠基于焊接參數完成相應的科學設定以及合理調整。系統提供各不相同的控制模式，可基于各不相同零件以及結構，選擇閉環位置或是閉環壓力控制模式。此設備能夠對厚度為2-6mm鋁合金板材進行有效焊接，最大工作尺寸能夠達到60㎡。

CFSWT設備能夠用在高速鋁合金船舶寬幅加強板批量生產。通過摩擦攪拌焊工藝技術對鋁合金壁板進行焊接之后，中國鋁制船舶制造工業獲得良好發展，并進入全新時代。首先，摩擦攪拌焊使壁板批量生產現場焊接問題得到有效解決。與此同時，此項工藝技術同樣使船舶設計得到相應的簡化。更為關鍵的在于，造船工程師對僅結構和船舶材料進行綜合考慮與科學設計階段，有了更為豐富的選擇。第一，摩擦攪拌焊能夠對AA6082與防腐材料AA5083完成有效焊接;第二，能夠將擠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合焊接，如使用摩擦攪拌焊，對橫梁同板材進行有效焊接，如圖1。

通過摩擦攪拌焊工藝技術的有效應用，使船廠焊接工作量得到有效降低。船舶制造從現場手動轉變為標準化生產線，使生產效率獲得相應的提升。與此同時，摩擦攪拌焊之后，鋁板殘余應力相對較低，結構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的提升。現階段，摩擦攪拌焊壁板位于我國大部分船舶制造成獲得相應的推廣與應用。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用，部分有我國設計生產制造的產品，同樣出口到眾多國家，在傳播制造方面獲得有效應用，如圖2[4]。

結論：

綜上所述，攪拌摩擦焊接工藝技術，位于鋁合金等熔點相對較低的材料焊接方面有著非常明顯的優勢特點，攪拌摩擦焊的深入研究以及有效應用，通常以鋁鎂合金材料為主，且位于船舶制造行業領域獲得良好應用。因此，務必重視對鋁合金船舶的摩擦攪拌焊接工藝進行深入研究，以此促進船舶制造行業的穩定良好發展。

參考文獻

[1]? 季亞娟，蔣成禹，嚴鏗.鋁合金攪拌摩擦焊工藝及性能的研究[J].華東船舶工業學院學報，2004，216（125）：123-125.

[2]? 季亞娟，蔣成禹，嚴鏗.鋁合金攪拌摩擦焊工藝及性能的研究[J].華東船舶工業學院學報，2004，138（01）：68-71.

[3]? Fred Delany，Stephan W Kallee，Mike J Russell.鋁合金船舶的攪拌摩擦焊接工藝[J].焊接，2007，000（005）：7-15.

[4]? 王洪乙，胡要武，涂國華，等.攪拌摩擦焊在鋁合金船舶上的應用[J].中國艦船研究，2006，001（003）：62-65.