5083鋁合金船舶焊接工藝畢業設計-文庫吧

【正文】 面形式，這在重型渡河裝備承載甲板的應用上是很受歡迎的。7000系列合金因其較高的擠壓比而不能擠出封閉截面，這樣勢必增加焊接量，對承載甲板的受力和加工都不利。所以，承載甲板適合采用具有良好擠出性能的6000系列合金，而7000系列合金可用于其他部位。這就涉及到6000系列合金、7000系列合金以及兩個系列合金之間的焊接問題，焊接質量的高低將直接影響重型渡河裝備的承載能力，所以有必要對鋁合金的焊接特性進行深入研究。 鋁合金焊接特性隨著可焊系列鋁合金材料的發展，國內外鋁合金船體及上層建筑已廣泛采用焊接結構，船用鋁合金的焊接技術是我國現代造船業發展的關鍵技術之一。與鋼鐵材料相比，由于鋁合金具有獨特的物理化學性能，因此在焊接過程中存在以下特點：強的氧化能力 鋁和氧的親和力很大，在空氣中鋁容易與氧結合生成緊密結實的Al2O3薄膜（）。這層薄膜的熔點高達2050℃，遠遠超過鋁合金的熔點，～，在焊接過程中，氧化鋁薄膜會阻礙基體金屬的熔化及彼此之間的良好結合，并易造成夾渣。而且氧化膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫形成氣孔等缺陷，從而降低了焊接接頭的力學性能。因此，為保證焊接質量和良好的焊接接頭性能，焊前必須嚴格清理焊件表面的Al2O3薄膜，并在焊接過程中防止熔池繼續受到氧化，對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效的保護。這是鋁及鋁合金焊接的一個重要特點。高的熱導率和導電性 鋁及鋁合金的熱導率、比熱容、熔化潛熱等都很大，【W/（m﹒K）】，約比鋼大1倍多。在焊接過程中，大量的熱能被迅速傳到基體金屬內部，因此焊接鋁及鋁合金時比鋼要消耗更多的熱量。為了達到高質量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時需采取預熱等工藝措施。熱裂紋傾向性大 108/℃，約為鋼的兩倍，％～％，因此焊接某些鋁合金時，往往由于過大的收縮內應力而產生熱裂紋。這是鋁合金，尤其是高強鋁合金焊接時最常見的嚴重缺陷之一。生產中常采用調整焊絲成分的方法防止裂紋的產生，采用合理的焊接工藝對于防止熱裂紋的產生也是有利的和必須的。容易形成氣孔 焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時易產生的另一個常見的缺陷。氫是熔焊時產生氣孔的主要原因。鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣體，高溫下溶入的大量氫氣，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。弧柱氣氛中的水份、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水份都是焊縫中氫的主要來源。因此，焊接前必須嚴格清理，并合理選擇焊接工藝防止氣孔的產生。高溫下的強度和塑性低 在高溫下鋁的強度和塑性很低，以致不能支承住液體金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷（或燒穿）缺陷。因此，一般情況下需要用夾具和墊板。合金元素的蒸發和燒損 某些鋁合金中含有低沸點的合金元素如鎂、鋅等，這些元素在高溫火焰或電弧的作用下極易蒸發、燒損，從而改變了焊縫金屬的化學成分，同時也降低了焊接接頭的性能。焊接熱對基體金屬的影響 焊接可熱處理強化的鋁合金時，由于焊接熱的影響，會使基體金屬近縫區某些部位的力學性能下降。對于冷作硬化的合金也是如此，使接頭性能弱化，并且焊接線能量越大，性能降低的程度也愈嚴重。無色澤變化 鋁及鋁合金從固態變成液態時，無明顯的顏色變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難。總之，傳統的熔焊方法（如火焰、電弧、等離子體弧等）熱源發散，功率密度較低，焊接速度低，熱輸入量大，導致熱影響區寬、焊縫晶粒粗、接頭性能差、焊接變形量大。由于鋁合金的這些特殊的焊接特性，需要與之適用的先進的焊接方法。第二章 鋁合金5083性能及焊接特點 鋁合金5083的性能、物理性能5083物理性能，主要特點為密度低，抗拉強度高，延伸率高。在我國5000系列鋁板屬于較為成熟的鋁板系列之一，見表2；表2 5083鋁合金物理性能熔點t/℃電阻率ρ/nΩ?m線膨脹系數a/μm/ (m ?k)導熱系數λ/W/﹙m ?k﹚密度ρ/g/m5741力學性能5083鋁合金力學性能見表3；表3 5083鋁合金力學性能性能指標抗拉強度σb (MPa)條件屈服強度 (MPa)伸長率δ10 (%)伸長率δ5 (%)試樣尺寸性能指數≥270≥110≥20≥12所有壁厚、化學成分5083鋁合金化學成分見表4；表4 5083鋁合金化學成分化學成分（質量分數％）AlSiCuMgZnMnTiCrFe余量≤≤～≤～≤～～ 鋁合金5083的焊接性5083鋁合金屬于ALMg系列合金，根據5083鋁合金的化學成分分析可知：5083鋁合金含Mg和Mn元素較高，其抗脆性、抗蝕性、可焊性較好。由于Mn元素的含量較多，可以提高鋁合金的力學性能，又不使合金抗腐蝕下降，同時提高了5083鋁合金的焊接性。同時加入Mn元素能使含Mg元素相分布均勻，提高強度、抗蝕性。由于鋁合金的化學活潑性很強，表面易形成氧化膜，且多屬于難熔物質。焊接時易產生夾渣等缺陷。鋁合金熱導率大（約為鋼的4倍），加之其熱導率較大，焊接時容易造成未熔合現象。由于鋁合金的熱膨脹系數約為鋼的2倍，相反其彈性模量卻只有鋼的1/3，焊件易產生較大的熱應力，導致變形及裂紋。氣孔是焊接5083鋁合金過程中常見的缺陷。而氫是鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因。焊接時，氫的來源有兩個方面：一是弧柱氣氛中的水分；二是焊絲及母材表面氧化膜吸附的水分。為此，焊接鋁鎂合金時，焊前必須仔細清除坡口附近的氧化膜，保持焊絲及母材干燥。 鋁合金焊接的主要特點鋁合金有強的氧化能力。鋁與氧的親和力很強，在空氣中極易與氧結合生成致密牢固的Ａ１２０３薄膜，Ａｌ2Ｏ３熔點高達２０５０℃，遠遠超過鋁合金的熔點（約６６０℃），且密度大，在焊接過程中，Ａ１２０３薄膜會阻礙金屬之間的良好結合并易造成夾雜。而且Ａｌ２O３還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔；熱導率大（約為鋼的４倍），導電性好，焊接時若要達到與鋼相同的焊速，則焊接線能量要比焊鋼時大２—４倍；熱裂紋傾向性大，焊接變形大，鋁合金的熱膨脹系數約為鋼的２倍，相反其彈性模量卻只有鋼的１／３，焊件有產生較大的熱應力，導致變形及裂紋的傾向；鋁為面心立方晶格，沒有同素異構體，加熱與冷卻過程中沒有相變，晶粒易粗大，導致鋁合金焊接接頭的強度降低。 合金5083特性及適用范圍5083鋁材是高鎂合金,在不可熱處理合金中強度良好，耐蝕性、可切削性良好。陽極化處理后表面美觀。電弧焊性能良好。5083鋁材中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性與可焊接性能，以及中等強度。　　5083鋁材屬于AlMgSi系合金,使用范圍廣泛,特別是建筑業離不開此合金，是最有前途的合金。耐蝕性好，焊接性優良，冷加工性較好，并具有中等強度。5083鋁材的主要合金元素為鎂，具有良好的成形加工性能、抗蝕性、焊接性，中等強度。 ALMn系合金，是應用最廣的一種防銹鋁，這種合金的強度高，特別是具有抗疲勞強度：塑性與耐腐蝕性高，不能熱處理強化，在半冷作硬化時塑性尚好，冷作硬化時塑性低，耐腐蝕好，焊接性良好，可切削性能不良，可拋光。用途主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液體或氣體介質中工作的低載荷零件，如郵箱，汽油或潤滑油導管，各種液體容器和其他用深拉制作的小負荷零件：線材用來做鉚釘。用于制造飛機油箱、油管、以及交通車輛、船舶的鈑金件，儀表、街燈支架與鉚釘、五金制品、電器外殼等。 優良的抗腐蝕性能使5083船用鋁板材廣泛用于海事用途如船舶，以及汽車、飛機焊接件、地鐵輕軌，需嚴格防火的壓力容器（如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱）、制冷裝置、電視塔、鉆探設備、交通運輸設備、導彈零件、裝甲等。鋁鎂合金種類鋁鎂合金鋁板又可稱為5000系列合金鋁板，其代表有5052鋁板、5005鋁板、5086鋁板材、5083鋁材料、5754鋁板，5A02鋁板，5A05鋁板等。鋁鎂合金鋁板合金元素主要是鎂，含鎂量在35%之間。主要特點為密度低，抗拉強度高，延伸率高。在相同面積下鋁鎂合金的重量低于其他系列.。故常用在航空方面，比如飛機油箱。在常規工業中應用也較為廣泛。加工工藝為連鑄連軋，屬于熱軋鋁板系列故能做氧化深加工。在我國5000系列鋁板屬于較為成熟的鋁板系列之一。第三章 鋁合金焊接方法的選擇 鋁合金焊接方法目前，鋁合金的焊接主要有以下幾種方法：氬弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊和激光電弧復合焊等。其中工業中廣泛應用的是MIG焊，攪拌摩擦焊主要用于船舶中型材和平板對接件的焊接，激光電弧復合焊和激光焊在實驗室中研究較多，未來將會在工業中得到越來越廣泛的應用。、氬弧焊鋁合金常用的焊接方法是鎢極惰性氣體保護焊（以下稱TIG）和熔化極惰性氣體保護焊以下稱MIG焊）。TIG焊的電極是難熔金屬鎢或鎢的合金棒，電弧燃燒過程中電極是不熔化的，故易維持恒定的電弧長度，焊接過程穩定。焊接時，電極、電弧區以及熔化金屬都處在惰性氣體保護之中，使之與空氣隔離。最常用的是鎢極氬弧焊，即以氬氣作保護氣體。鋁合金TIG焊一般采用交流電源，利用電流在負半波時的陰極霧化效應可以有效清理鋁合金表面的氧化膜，改善融合性。日本在1953年就采用TIG焊焊接5083鋁合金，~。MIG焊采用焊絲作電極及填充金屬，并在惰性氣體保護下進行焊接。由于用焊絲作電極，可采用高密度焊接電流，因而母材熔深大，填充金屬熔敷速度快，焊件變形壁TIG焊小，鋁合金熔化極氬弧焊采用直流反接，有良好的陰極霧化作用，可有效確保焊縫的質量要求。美國在1995年曾用MIG自動焊接5086061等材料，厚度可達25~32mm，韓國也采用MIG焊成功實現了鋁合金船的焊接。傳統的鋁合金鎢極氬弧焊（TIG）焊接熱輸入大、焊接速度慢，在焊縫呼氣附近產生較高的峰值溫度和較寬的熱影響區，使焊縫金屬盒附近母材產生實效，從而造成焊接接頭強度和硬度的大幅降低。鋁合金熔化極氣體保護焊（MIG）焊接線能量小，焊接速度快，焊接鋁合金，特別是熱處理強化鋁合金（6000系列、7000系列）時，有利于改善焊縫金屬和焊接熱影響區的組織，有效的減小焊接接頭的強度損失。國外研究表明，鋁合金MIG焊焊接接頭比TIG焊焊接接頭還具有更高的疲勞性能。另外，由于MIG焊焊接線能量小，結構建造時所產生的焊接變形量小，因而對產品整體質量的保證也極為有利。經過幾年的法杖，MIG焊從焊接設備、焊接材料到焊接工藝，都日益走向成熟，獲得高質量的MIG焊縫已經成為可能。目前，國外鋁合金焊接90%以上采用MIG焊，國內的鋁合金MIG焊技術也得到了迅速的發展。而船用鋁合金MIG焊主要缺點有：由于熱輸入量仍然偏大而引起較大的焊接變形，影響船舶制造質量；由于焊后板材變形大，往往需要較長的矯正時間，大大影響了生產效率和生產質量；，生產效率低。、攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊是通過攪拌頭的告訴旋轉使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位材料的溫度升高軟化，同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。攪拌摩擦焊已經被證明在諸多方面優于熔焊方法，尤其在輕合金方面，攪拌摩擦焊具有明顯的優越性：固相焊接方法，不存在凝固裂紋和氣孔等缺陷；無變形焊接技術；不需要焊絲和保護氣體；焊接過程沒有煙塵、飛濺和UV輻射；容易實現自動化的一種機床焊接技術；全位置焊接技術；優異的接頭力學性能；綠色焊接技術節省能源。它能焊接所有的鋁合金。攪拌摩擦焊也有局限性：焊接末尾通常有匙孔存在；焊接力較大，需要焊接設備具有很好的剛性；與弧焊相比缺少焊接柔性；不能實現搷絲焊接。、激光焊激光被認為是21世紀的新能