造船焊接与切割技术-06

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuilding其它船舶焊接方法Otherweldingtechnologyofshipbuilding第6讲其它船舶焊接方法授课内容：z氩弧焊z电渣焊及气电立焊z爆炸焊z水下焊接z激光焊及其复合热源焊接氩弧焊z利用氩气作保护气体的电弧焊方法，即在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化。z氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。熔化极氩弧焊MetalInertGas(MIG)非熔化极氩弧焊TungstenInertGas(TIG)钨极氩弧焊z非熔化极氩弧焊是电弧在非熔化极(通常是钨极)和工件之间燃烧，在焊接电弧周围流过一种不和金属起化学反应的惰性气体(常常用氩气)，形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和吸收有害气体。从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。z在焊接过程中根据实际需要，可以填丝也可不填丝。钨极氩弧焊钨极氩弧焊z焊接特点：¾电极采用难熔的钨或钨合金，保护气体为氩气或氦气¾实现高品质的焊接，得到性能优良的焊缝¾适焊材料广，可焊接化学性质活泼的金属及合金¾适焊位置灵活，在空间任何位置都可以进行焊接¾热输入调节方便钨极氩弧焊z工艺特点：¾允许电流低，生产效率低¾Ar气保护，相对成本高¾主要用于精密焊接、多层焊的打底焊¾最适合焊接薄板¾手工焊接对焊工技能要求高钨极氩弧焊设备z焊接设备组成:1)焊接电源;2)焊枪;3)保护气体回路;4)冷却系统;5)其它附件TIG焊接设备示意图TIG焊接设备实物图钨极氩弧焊接电源z极性¾直流/DC，脉冲直流¾交流和变极性交流¾混合TIG焊(交互输出交流和直流)z来源¾国产¾进口z外特性¾陡降或者恒流钨极氩弧焊的应用z电源极性：¾直流正接时，钨极发射大量电子，钨极烧损小、焊缝熔深大，常用来焊接碳钢、不锈钢、钛合金、高温合金、稀有金属¾直流反接时，工件发射大量电子，形成的熔深小、钨极烧损大，但具有清理工件表面氧化膜的作用¾交流时，充分利用上述两者优点，特别适合焊接有色金属钨极氩弧焊的应用应用：¾用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金¾船舶管系安装、船舶电气安装¾用于焊接修复，如铜制螺旋桨熔化极氩弧焊z焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。z它和钨极氩弧焊的区别：一个是焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是保护气体，随着熔化极氩弧焊的技术应用，保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应用，如Ar80％＋CO220％的富氩保护气。通常前者称为MIG，后者称为MAG。金属极，熔化，氩气或混合气体保护钨极，不熔化，氩气保护钨极氩弧焊熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊z特点：¾几乎可以焊接所有金属，尤其可以铝合金、铜合金、钛合金和不锈钢¾与TIG焊相比，电流密度大，焊丝熔化速度快，熔敷率高，熔深大和焊接变形小。¾与CO2焊相比，熔滴过渡平稳，几乎不产生飞溅，熔透大¾惰性气体本质上不与熔化金属产生冶金反应，焊丝不要加入特殊的脱氧剂，使用与母材同等成分的焊丝即可。MIGprocessCO2process熔化极氩弧焊z不足之处：¾与CO2焊相比，焊接成本高，焊接生产率低¾焊接准备工作要求严格，需要对焊接材料和焊接区进行清理¾厚板焊接中的封底焊焊缝成形不如TIG焊质量好MIGweldingCO2weldingMIGweldingCO2welding电渣焊原理z利用电流通过渣池所产生的电阻热熔化工件材料和填充金属的焊接方法。熔渣还对熔池起保护和净化的作用。电渣焊一般是垂直向上施焊。填充金属有单焊丝、多焊丝、焊丝加熔嘴（见图）和金属板等形式。焊丝连续送进。电渣焊适于焊接20毫米以上厚大截面的工件。电渣焊特点（1）焊接厚件时，生产率高，成本低。大厚度工件可一次焊成，如单丝不摆动可焊接厚度为40～60mm，单丝摆动可焊接厚度为60～150mm，三丝摆动可焊接厚度为450mm。任何厚度的工件都不需开坡口，只需焊接端面之间保持25～35mm的间隙即可一次焊成，省工省料，成本低。（2）焊缝金属比较纯净棗渣池机械保护好；熔池存在时间长，低熔点夹杂物和气体易排出，不易产生气体和夹渣；脱硫、脱磷充分。（3）电渣焊接头组织粗大，热影响区较宽，焊后要进行正火处理棗因焊速慢，高温停留时间长。（4）适于焊接塑性较差的中碳钢和合金结构钢棗冷却速度慢，应力较小。电渣焊应用垂直气电焊z气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种气-渣联合保护焊方法。z它利用类似于电渣焊所采用的水冷滑块挡住熔融的金属，使之强迫成形，以实现立向位置的焊接。与窄间隙焊的主要区别在于焊缝一次成形，而不是多道多层焊；与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。垂直气电焊z生产效率高，是手工焊的10倍以上z工艺过程稳定，焊缝质量优良z设备较复杂z焊前准备工作要求高激光焊激光焊：LaserWelding，采用高能量密度的激光束作为热源进行焊接，使用Ar或He进行保护，可分为热导焊和深熔焊两种模式。激光焊接原理1.激光焊接的基本原理激光深熔焊腔内液体金属的流动1激光束2小孔后部流动区3小孔内流动区小孔内激光的吸收过程1激光束2等离子体3熔池后部熔化区4焊件运动方向激光深熔焊几何特征1激光束2焊接熔池3小孔4焊缝宽度5熔池深度激光焊接工艺1.激光焊接的基本原理激光焊接特点1）能量密度高、焊接变形小、热影响区小2）焊接过程中，不需要填充材料3）激光深熔焊接具有“自净化”效应，焊缝纯净4）能量可精确控制，对材料、结构具有较高的适应性5）光束很容易传输到任何位置，自动化很容易实现6）不需要真空环境、不存在X-射线污染；7）深熔焊接的焊缝深宽比可达12:1；8）焊接时，要求装配精度高；大功率焊接时，等离子体密度高，对激光能量的损耗大。激光焊接特点GMAWWeld830J/mm,5.7kg/hrwire,1m/min4kW,240J/mm,1m/minLaserWeld2.激光焊接的主要影响因素●能量和能量密度●焊接速度●焦距●能量输出波形●焊接角度●脉冲●保护气体●工件的准备与装卡●焊接飞溅●等离子体的抑制激光焊接工艺激光焊的发展和应用CO2laserweldingin12mmausteniticstainlesssteel,1.8m/minNd:YAGoverlapjointin0.7mmstainlesssteel,13m/min激光焊接铝合金4042激光焊接不锈钢齿轮：焊缝宽度0.405mm激光焊的发展和应用¾据报道，矫正形变所需要的工时使得钢装配的总工时成本增加30%。激光焊的发展和应用¾在船体结构采用激光焊接，可以在很大程度上减少焊接变形。激光焊的发展和应用¾电弧加热提高材料对激光能量吸收率¾激光稳定电弧，提高焊接速度¾改善焊缝成型、减少焊接缺陷¾增加激光焊接的适应性激光焊接问题：激光-电弧复合热源优势:激光焊接¾成本高，对工件装配要求严格¾易产生元素烧损、气孔、咬边缺陷¾高反射率金属（铝、铜）焊接困难¾能量利用率低激光-电弧复合热源¾激光-电弧复合热源焊接技术是目前的研究热点之一。激光复合热源焊接研究现状英国：W.Steen于八十年代初，率先开始laser-TIG复合热源研究德国：Aachen、Braunschweig、斯图加特大学、爱尔兰根大学日本：JWRI、TOSHIBA、川崎重工；美国：EWI、NASA、Ohio、美国海军研究所；中国：天津大学、华中科技大学、哈工大。开展复合热源焊接研究的基本思想：附加电弧，提高常规激光焊速度、提高对装配的适应性、改善焊缝成型、减少焊接缺陷、降低成本，改善某些特殊材料可焊性。激光复合热源焊接研究现状大厚板复合热源深熔焊电弧焊、激光焊、复合热源焊接比较结果美国海军在船用加强筋结构件（热轧高强钢）焊缝总长度中50％应用激光-电弧复合热源焊接，其变形量为双丝焊的1/10，单道焊熔深15mm,双道焊熔深30mm,焊接6mm厚的T型接头时，焊接速度3m/min。激光复合热源焊接应用现状复合热源焊接的应用中、厚钢板复合焊接首次应用：2000年，德国ILT，储油罐壁焊接生产15mm厚S355NL钢焊缝截面(CO2激光:15.5kW,焊接速率:1.2m/min)焊接生产情况和焊缝截面(材料:S235JR;CO2激光功率:5.7kW)激光复合热源焊接应用现状复合热源焊接的应用2001年，美国海军连接中心，热轧高强钢焊接T型接头复合焊接电弧焊、激光焊、复合热源焊接比较焊接变形量:双丝焊的1/10；单道焊熔深：15mm；双道焊熔深：30mm；焊接6mm厚T型接头：焊接速度3m/min.激光复合热源焊接应用现状中厚板复合焊接2002年，ILT采用激光-MAG复合单道纵向焊接壁厚为2.4－14.4mm不锈钢管，与传统焊接相比，焊接速度提高10倍以上。CO2激光－MAG复合焊接AISI304/304L不锈钢的焊缝装置和横截面图激光复合热源焊接应用现状¾T型接头是船体结构和海洋平台结构中采用最多的一种接头形式，很适合激光-电弧复合热源焊接。激光复合热源焊接应用现状¾德国的MEYER、芬兰的KVAERNER以及意大利的FINCANTIER是应用复合焊接技术的几家典型船舶制造厂。搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊：利用摩擦热作为焊接热源，焊接过程是由一个中间带针状突起和轴肩的搅拌头旋转着插入焊接工件，并且沿着待焊界面移动，搅拌工具和工件之间产生的摩擦热使被焊接材料热塑化，通过搅拌工具的旋转摩擦，热塑化的金属材料从搅拌工具的前面向后壁过渡，过渡后的热塑化金属在搅拌工具轴肩的顶锻作用下，形成高质量的固相连接。搅拌摩擦焊（1991，TWI）摩擦焊搅拌摩擦焊的特点z搅拌摩擦焊的优点（1）固相焊接，不存在热裂纹和气孔等熔焊缺陷。（2）接头变形小、应力低。（3）焊接过程不需要焊丝和保护气。（4）绿色环保，没有烟尘、飞溅和UV辐射等。（5）非常节能，一般为普通焊接能源消耗的1%～20%。（6）焊接过程没有材料熔化，可以实现任意位置焊接。（7）机械焊接技术，容易实现自动化，不需要特殊的技术培训和认证（8）焊接质量好，对于铝合金来说搅拌摩擦焊优于任何其他焊接方法z搅拌摩擦焊的局限性（1）焊接尾段通常存在“匙孔”。（2）焊接过程需要较大的顶锻力和驱动力。（3）欠缺普通弧焊和手工焊所具备的过程柔性。搅拌摩擦焊接设备z搅拌摩擦焊接设备的部件很多，从设备功能结构上可以把搅拌摩擦焊机分为搅拌头、机械转动部分、行走部分、控制部分等。搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，一般用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造(如硬质合金)。搅拌摩擦焊的接头形式z通常搅拌摩擦焊利用平板对接和搭接来完成焊接，实际上搅拌摩擦焊已经能够实现如下图所示的多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用。搅拌摩擦焊在船舶上的应用宽幅船舶壁板结构型材搅拌摩擦焊接设备搅拌摩擦焊在船舶上的应用双体穿浪隐形导弹快艇在出口船舶上的应用摩擦焊制造的大型豪华游轮“StarPrincess”号爆炸焊接z利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。z20世纪50年代末期，在用爆炸成形方法加工零件时，发现零件与模具之间产生局部焊合现象，由此产生了爆炸焊接的方法。爆炸焊原理z爆炸焊接时，通常把炸药直接敷在覆板表面，或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。爆炸焊过程焊接特点z爆炸焊所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用于野外作业。z爆炸焊对工件表面清理要求不太严，而结合强度