绿色船舶制造技术--- 搅拌摩擦焊

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1、绿色船舶制造技术---搅拌摩擦焊季亚娟，栾国红中国航空第一集团公司北京航空制造工程研究所北京1000240前言船舶工业是现代大工业的缩影,是一个国家技术水平的标志。船舶工业的重要性不仅在于它是一个具有技术、资金、劳动力密集的产业,能够为国家经济发展做出贡献,[1]也是我国海军装备建设的基础。因此,船舶工业是关系到国防安全及国民经济建设的战略性产业。而二十一世纪对船舶制造提出的更高的要求----要求船舶拥有更大的承载能力、更轻的重量、更高的航行速度，因此，机械性能优异的铝合金部分的替代钢铁成为船舶制造的新材料。相对于

2、钢铁结构船舶来说，铝合金结构的船舶具有整体重量轻、航速高等特点，采用铝合金结构还可以把某些种类的船舶造的更大。因此，采用铝合金替代原来的钢铁作为基本的造船材料已经成了造船业的新趋势。欧美、日本、澳大利亚等国的很多造船公司都在积极地采用铝合金结构取代原来的钢结构，为了更好的适应国际造船业的发展，中国有些船厂也积极的采用铝合金作为船舶制造的新材料。1船用铝合金发展经历的阶段众所周知，铝合金由于其熔点、比重较低，热传导系数大，与氧的亲和力大，熔化[2]焊时易产生气孔、裂纹及较大的缺陷，使其接头的机械性能降低，因此，将铝合

3、金大量用于船舶制造首先需要解决铝合金的焊接问题。下面对铝合金应用到船舶制造进行阶段划分。1.1铝合金板焊接阶段该阶段主要将铝板和加强筋等结构通过焊接形成预制件，然后再进行装配。传统用于铝合金焊接的方法主要有TIG和MIG两种。这两种方法在铝合金高速船的建造中都有应用。MIG方法焊接速度快、效率高，用于拼板及船体焊缝的焊接；TIG方法由于采用手工送丝，可以更好地控制焊接熔池，适用于船体结构突变，较短焊缝的[3]焊接，即船体内部的型材、骨材方面的焊接。因此熔焊焊接铝合金的优点是几乎可以进行船舶任意位置的焊接，不受待焊零

4、件形状的影响。但是，无论是TIG还是MIG焊接都属于熔焊范畴，因此，焊接前需要对待焊部位进行清理；焊接过程不可避免的会伴随烟尘、飞机、辐射、弧光等，焊接变形大，且焊缝性能不稳定，易产生缺陷；焊后需要对焊缝进行清理，对产品进行校形等。1.2铝合金挤压型材阶段该阶段，铝挤压型材部分的取代铝合金焊接带筋板结构，应用到船舶的上层建筑的制造上。铝挤压型材的生产周期短、材质均匀。铝挤压型材的应用已经缩短船舶的制造时间，提高了船舶制造的质量。铝挤压型材的优点是显而易见的，但也有一定的局限性，主要就是受铝型材挤压设备的影响，型材的

5、挤压宽度受到限制。目前我国能够挤压宽度＞2m型材的挤压机数量很少，且大型宽幅型材的生产成本也会大大增加。1.3搅拌摩擦焊带筋板阶段制造业在为人类提供巨大财富的同时,也在不断产生污染物,对环境造成严重的负面影响，因此绿色制造也是船舶建造的一种必然性趋势。该阶段为搅拌摩擦焊带筋板取代挤压型材和铝焊接件用于船舶制造。搅拌摩擦焊工艺（FrictionStirWelding，简称FSW）是一种固态塑化连接方法，具有许多优点。与传统熔化焊相比，FSW无飞溅、无烟尘、无气孔，不需添加焊丝和保护气体，；焊接接头的疲劳性能、拉伸性能

6、和弯曲性能良好；接头部位不存在金属的熔化过程，焊缝成形较好；接头部位不存在大范围的热塑性变化过程，焊后接头的内应力[4]小、变形小，基本可实现板件的低应力小变形焊接。基于上述特点搅拌摩擦焊被称为绿色制造技术，因此将该用于船舶生产，实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶平板-加强件结构的制造，能够实现船舶制造的部分绿色化，是船舶制造领域革[5]命性的进步。2FSW用于船舶制造的优点ò可以实现船舶制造的绿色化由于搅拌摩擦焊是一种固态连接过程，焊接过程无飞溅、无烟尘、无弧光、无飞溅、无辐射，焊接环境友好，因此该技

7、术也被称为绿色环保技术。ò生产效率高对于3mm6×××铝合金型材，搅拌摩擦焊焊接速度能够达到6m/min。ò可重复性能好、产品质量稳定搅拌摩擦焊是类似于机械加工过程，只需要选用合适的搅拌头，设定焊接工艺参数即可实现焊接，焊接过程受工人的焊接技术影响不大，是一种机械化的过程，因此产品质量稳定，可重复性能好，ò节约生产时间和焊接成本应用搅拌摩擦焊进行铝板拼焊或者将窄幅铝合金型材拼宽，该技术焊前不需要对产品进行特殊清理，只需要将待焊处用丙酮或酒精擦拭即可，焊件变形小，焊缝平整，因此省去焊后修磨时间。有资料表明，按照每年焊

8、接50000m焊缝的工作量统计，应用FSW[6]进行生产时，生产成本为2.92欧元/m，而MIG焊时为3.25欧元/m。ò预制件的完成程度高FSW能实现船舶模块化生产，模块的宽度只受运输能力的限制，因此提高了船舶制造模块的集成度，使其在船厂的装配简化，仅需要少量的人工焊接即可完成装配，大大降低了船舶的装配时间。[7]ò搅拌摩擦焊预制板模块已经通过DNV、RI