材料連接技術11

1、材料連接技術材料連接技術Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號：302706第三章第三章 典型行業(yè)中的連接技術典型行業(yè)中的連接技術3-1 航天航空工業(yè)航天航空工業(yè)3-2 汽車工業(yè)汽車工業(yè)3-3 造船業(yè)造船業(yè)3-4 電子工業(yè)電子工業(yè)3.3 造船業(yè)中的連接技術造船業(yè)中的連接技術造船業(yè)概況造船業(yè)概況船舶連接技術船舶連接技術若干研究領域若干研究領域一、造船業(yè)概況 （一）我國古代的造船業(yè)v 筏/獨木舟：新石器時代（約100004000年前）；v 樓船：秦漢，（2000年前）v 鄭和寶船：明代，（約鄭和寶船：明代，（約600年前）年前）v 萬

2、噸鋼質船：江南造船廠（1865年創(chuàng)建）15世紀初期的中國明朝，擁有世界上最為先進的造船技術和最大的遠洋船隊。鄭和船隊由260多艘大型木制帆船組成，先后7下西洋，在沿途經過的亞非30多個國家和地區(qū)傳播了中國的文化與友誼，展示了中國人高超的造船技術和航海本領。 戰(zhàn)略性產業(yè)：為海軍、航運和海洋工程提供裝備。 毛澤東：我們一定要建設一支強大的海軍 鄧小平：中國的船舶要出口，要打入國際市場 江澤民：努力成為世界造船大國，強國（二）我國造船業(yè)的現狀上海江南造船廠制造的中國第一艘兩萬噸級貨輪“長風號”下水(1974)2000年以來，我國船舶工業(yè)取得了長足發(fā)展，船產量連續(xù)12年位居世界第三。2006年，全國造

3、船完工量1452萬載重噸，新承接船舶訂單4251萬載重噸，手持船舶訂單6872萬載重噸，分別占世界市場份額的19%、30%和24%。近10年來，我國船廠的產品結構有較大的變化，除承造一般軍民船舶外，還建造了一批特種船舶，如液化石油氣船、成品油船、化學品船、汽車滾裝船、冷藏集裝箱船、高速水翼船等。2007年中國船舶工業(yè)新接訂單9845萬載重噸，同比增長132%，超過韓國，晉身全球第一。中國新接船舶訂單已經占到國際市場近一半的份額。 從上世紀五六十年代開始，世界船舶制造中心已經歷了多次從先行工業(yè)國家向后起工業(yè)國家的轉移，目前世界船舶工業(yè)中心向中國轉移的趨勢已經確立。 我國船舶工業(yè)的技術裝備水平、產

4、品研發(fā)能力及生產制造技術落后于日韓，承接的主要是低附加值的船舶。造船企業(yè)總體數量偏多、生產水平較低、相當數量的企業(yè)規(guī)模小、技術和管理水平落后、質量意識淡薄及不規(guī)范生產等。我國造船業(yè)與日韓相比較，大約落后10年左右，而船舶配套產業(yè)總體水平則要落后20年左右。與日、韓相比，我國造船業(yè)仍存在較大的差距。造船焊接總體技術水平明顯差距 造船焊接機械化自動化水平、焊接設備構成比例、焊接生產效率均較低。焊接技術和焊接生產管理落后 焊接結構與焊接接頭形式設計、焊接生產、焊縫質量檢驗等方面綜合協調和經濟效益意識淡薄，不能正確理解和恰當處理焊接成本、效率和質量三者間的關系造成焊接成本較高而且失控，影響企業(yè)經濟效益

5、。缺乏預先研究和技術儲備 多年來，船廠的焊接技術一直是跟著生產走，往往是拿到船舶定單后為滿足生產要求而不得不進行焊接工藝評定和相應的試驗研究，處于邊生產邊攻關的被動狀態(tài)。以焊接技術為例以焊接技術為例我國勞動力資源豐富、成本較低，目前在一些小型船廠手工焊條的使用比例仍然較高，而高效焊接方法由于技術(技術力量相對薄弱)和設備(工廠不愿意一次投入過多)問題，得不到推廣應用。2O世紀初，由于造船業(yè)引進了焊接技術，造船模式由整體拼裝發(fā)展到分段建造，使大型和巨型船舶得以順利建造。一戰(zhàn)期間，艦船等裝備的需求刺激了一批廉價、快捷的焊接技術的發(fā)展。焊接帶動了現代造船業(yè)的發(fā)展。二、造船業(yè)中連接技術 焊接工時已經占

6、船體建造總工時的30%40%，焊接技術的發(fā)展對于縮短造船周期，保證船舶產品質量具有十分重要的意義焊接成本占船體建造總成本的30%50%，改進焊接材料，研制高效、節(jié)能型焊接設備和采取優(yōu)化的焊接工藝，對于造船廠的成本控制具有舉足輕重的作用。造船業(yè)要想在競爭激烈的國際船舶市場中取得份額，提高焊接技術水平是不可或缺的。船舶制造業(yè)自20世紀初開始研究應用焊接技術，并于1920年以英國船廠首次采用焊接技術建造遠洋船為標志，使焊接技術逐漸在船廠得到推廣應用，并迅速取代鉚接技術。由于焊接技術的應用，使造船模式發(fā)生了重大變革，即從“整體建造模式”轉變?yōu)椤胺侄沃圃炷Ｊ健?。造船業(yè)中的焊接技術的經歷了手工焊、半自動焊

7、、高效焊、機械化焊和機器人智能化焊接等發(fā)展階段。（一）造船業(yè)中焊接技術的進步20世紀40年代以來，造船焊接技術發(fā)展很快，埋弧焊、氣保焊、重力焊等多種高效焊接方法相繼開發(fā)出來并得到應用。尤其是20世紀50年代以后，造船焊接技術取得了全方位的快速發(fā)展，形成了以節(jié)能、高效為特征的造船焊接技術體系：50年代開始應用埋弧焊和氣電立焊技術；70年代又大力開發(fā)CO2焊接技術、各種單面焊和高效焊接技術；80年代開發(fā)應用各種專用機械化設備；90年代開始應用焊接機器人技術，且技術日臻完善，并達到實用化進入21世紀，新型船舶和海洋工程的建造中將大量應用低合金高強度鋼，而海洋工程結構物包括海底工程、平臺模塊、海底管道

8、等，由于海水、低溫、風浪等惡劣環(huán)境，對焊接結構的斷裂特性、失效分析和可靠性評估等提出了更高的要求。此外，隨著人類環(huán)境意識的增強，為了改變焊接過程中的煙塵環(huán)境，綠色焊接也是人們不斷探索的課題。同時，不斷出現的新興材料的連接技術也在蓬勃發(fā)展之中。船舶焊接技術的總體發(fā)展趨勢：船舶焊接技術的總體發(fā)展趨勢：v 焊接材料環(huán)保高效化；焊接材料環(huán)保高效化；v 焊接工藝高速化；焊接工藝高速化；v 焊接設備自動化、智能化。焊接設備自動化、智能化。電弧焊條用量大幅下降，藥芯焊絲（包括氣保護和自保護）用量逐年上升。新型藥芯焊絲不斷研發(fā)出來，門類齊全，可應用于不同鋼種。藥芯焊絲焊接落渣少、飛濺小、煙塵少等，減輕操作者勞

9、動強度，改善作業(yè)環(huán)境。1 1 焊接材料環(huán)保高效焊接材料環(huán)保高效 在藥芯焊絲中添加脫氧劑(硅、鋁、鈦、硼等)用于降低熔池金屬中的含氧量，同時可以增加熔池金屬的張力。適用于自動化焊接，尤其是機器人和全位置焊接。這種添加合金元素的藥芯焊絲，特別適用于海洋工程結構物、液化氣船等低溫材料的焊接。針對一些大型鋼結構、海洋平臺和大型軍船的大厚板的焊接需要，一些國家開發(fā)出了用于大厚板的高焊透性藥芯焊絲，以及對耐高溫底漆具有抗氣孔特性的角焊縫專用藥芯焊絲，可以解決高速焊中的氣孔問題。目前藥芯焊絲的主要生產國有日本、瑞典、美國等。完善配套高效的焊接材料，開發(fā)更多的品種。改善一般品種船用焊接材料的工藝性，如針對CO

10、2實芯焊絲開展低飛濺焊絲的研究。加快開發(fā)專用船的焊接材料。提高船用焊接材料的衛(wèi)生指標，實現清潔焊接的發(fā)展目標。大量推廣應用低能耗的燒結焊劑。對高強度船用鋼，開發(fā)不預熱或降低預熱層間溫度的焊接材料。船用焊接材料的研究領域2 2 焊接工藝高速化焊接工藝高速化 焊接工藝高速化主要指熔敷效率高、焊接速度快、操作方便且易于實現自動化的焊接工藝方法。其特點是生產效率高、焊接質量好、節(jié)約能源。造船工中，目前常用的高效焊接方法有：鐵粉焊條手工焊、下行、重力焊、藥芯焊絲CO2焊、多絲埋弧焊、垂直自動氣電焊等。手工焊比率逐年下降，而半自動和自動CO2焊接比例直線上升。從單一位置轉向全位置的焊接，而這種全位置焊接特

11、別適合于造船工業(yè)，因為船舶制造過程中的工序有小合攏、平面分段、曲面分段及總組和船臺(塢)大合攏等。在由零件逐步組合成一艘完整船舶的過程中，不同工藝階段所采用的焊接方法各不相同。上世紀80年代初，世界機器人研制趨向標準化、通用化和系列化，這給造船焊接機器人的大發(fā)展帶來機遇。焊接設備正在向數字化和智能化方向發(fā)展。日本造船集團均把推廣應用造船焊接機器人作為重點工程，并在造船裝焊全過程中應用，先后在船體建造和管子加工中應用弧焊機器人。3 3 焊接設備自動化和智能化焊接設備自動化和智能化 采用自動高速旋轉電弧焊，高的焊接精度和焊接速度，從大厚度窄焊縫，轉向多絲焊接和多關節(jié)弧焊設備。已將焊接機器人用于小合

12、攏與主體分段裝焊，達到無人化程度。機器人焊接已逐步達到系列化、智能化，能夠觸感、自動跟蹤并自動修正。日本船廠的焊接機器人已經達到相當高的水平國外高能量等離子和激光等焊接技術已開始應用于造船。并已制定了一套激光焊接接頭的驗收規(guī)范。（二）造船業(yè)中的特種焊接技術德國邁爾船廠在游船和客船上的非主結構甲板和上層建筑平面分段的焊接中采用了激光焊接。德國船廠已采用激光-MIG復合焊進行甲板預制的全自動化生產。在甲板預制區(qū)內，有兩個對接焊工作站。能以3m/min的焊接速度焊接厚度在15mm以內直線長度20m的甲板或墻板。日本川崎重工則以高于lm/min的速度成功地用激光焊焊接了15mm厚的不銹鋼板和低碳鋼板。

13、為了滿足高附加值船舶、特種軍用船舶等的建造要求，國外還針對鋁合金、不銹鋼、不銹鋼復合板、鋼板與復合材料的夾層板等特殊材料，開發(fā)了系列的特種焊接技術。英國發(fā)明了攪拌摩擦焊，用于鋁合金的焊接。瑞典研制了摩擦振蕩焊設備并應用到實際生產中。（二）我國船舶焊接技術的發(fā)展現狀1944年江南造船所將焊接技術應用于船舶建造。1947年建成第一艘全焊接船舶，之后我國主要船廠開始廣泛采用焊接技術。到20世紀50年代，各主要船廠已用焊接技術全面取代了鉚接技術，其焊接方法為常規(guī)焊條電弧焊。繼此起步之后，造船焊接技術又經歷了兩個重要發(fā)展階段。1 1 我國船舶焊接技術的發(fā)展歷程我國船舶焊接技術的發(fā)展歷程 在普遍應用常規(guī)焊

14、條電弧焊的基礎上，從前蘇聯引入和研究應用埋弧自動焊、埋弧半自動焊、重力焊、CO2焊及電渣焊等焊接工藝方法。70年代末期，在造船生產中常用的焊接方法有35種，其中常規(guī)焊條電弧焊應用比例占85% ，埋弧自動焊應用比例占13%， 重力焊、CO2焊等其他焊接方法之和為2% ；技術落后、電能消耗大的旋轉式直流弧焊發(fā)電機應用比例達80%以上，各種高效節(jié)能型焊機之和不足20% ；船廠焊工人均焊接材料日消耗量為3.5kg左右。第一階段是第一階段是5070年代年代主要引進和借鑒日本造船焊接技術和經驗，在全面推廣應用CO2焊、重力焊的同時，大力研究開發(fā)并推廣應用下行焊、垂直自動氣電焊、CO2自動角焊、多絲埋弧自動

15、焊及各種單面焊雙面成形等高效焊接技術；開發(fā)并推廣應用各種高效焊接設備（整流弧焊機、交流焊機、逆變焊機等），淘汰旋轉式直流弧焊發(fā)電機。到2000年底，在船舶生產中常用的焊接方法多達35種，船舶焊接高效化率達到76.8% ，其中機械化、自動化比例60% 以上，高效節(jié)能型焊接設備應用比例達到91% ，旋轉式直流弧焊發(fā)電機淘汰至9.1% ；船廠焊工人均焊接材料日消耗量為10kg。第一階段是第一階段是8090年代年代高效焊接工藝從70年代末期的35種發(fā)展到目前的35種，基本滿足了造船的需要。高效焊接方法上主要有普通埋弧焊、雙絲埋弧焊、埋弧單面焊、重力焊、半自動CO2焊、簡易自動CO2平角焊、自動CO2平

16、角焊、垂直氣電焊、各種襯墊單面焊等。2 2 我國船舶焊接技術水平我國船舶焊接技術水平 國內船廠先后引進了國外先進的平面分段裝焊流水線，采用了拼板工位多絲埋弧自動單面焊雙面成形新工藝、新設備。其焊接范圍可用于535mm的船用板材對接拼板，同時在按區(qū)域造船理論指導下，對船體的平面分段構架裝焊也采用了半自動或自動氣保護角焊工藝，使焊接效率大大提高。CO2氣電垂直自動焊工藝普遍用于船臺大合攏時的垂直對接縫(長達l530m)的焊接。三、船舶焊接中的若干研究領域（一）焊接變形與焊接應力焊接變形是船舶制造過程中一直存在的問題，它不僅影響船體的外觀質量，而且也嚴重影響船體結構及水動力性能。為了減小焊接變形，準

17、確分析焊接過程中產生的變形是一個重要課題。由于在實際焊接過程中影響焊接變形的因素較多，故難以預測，尤其是對船舶這種大型復雜的鋼結構，其焊接變形的預測更加困難。焊接應力會造成船舶的災難性破壞。美國在19421946年問建造的多艘“自由”輪、1954年英國的“世界協和”號大型油輪等船的斷裂，都是與制造工藝不當，船舶存在焊接缺陷和殘余應力有很大的關系。減少焊接應力和變形，應從設計和工藝兩方面考慮減少焊接應力和變形，應從設計和工藝兩方面考慮1）適當使用沖壓結構，避免強制成型；2）減少焊縫的尺寸和長度，合理選取坡口形狀；3）焊縫應避免集中在一個小區(qū)域內，平行焊縫應盡量減少；4）對稱地布置焊縫，盡可能考慮

18、將焊縫靠近結構中心線的區(qū)域內，避免在容易產生變形的方面或應力集中的地方布置焊縫。5）選擇結構傳力截面和選擇焊接接頭形式時要盡量使力線均勻分布，如避免截面尺寸突變，對不同截面的對接接頭應盡可能作平緩圓滑過渡。1 1 設計方面設計方面1）總體焊接順序為：縱橫構架對接，船體外板、甲板板對接，構架與船體外板和甲板的連續(xù)角焊縫。2）船體外板、甲板對接焊縫焊接時，應焊船內一面，從外面清后再進行封底焊。3）全部焊縫均應由船中往左右，由中往船首尾由下往上逐格對稱焊接；4）對各構件的焊接時應盡可能考慮焊縫的自由收縮，先焊收縮量大的焊縫；5）盡可能采取對稱的焊接程序；根據不同的焊縫分別采取分段退焊法、跳焊法、交替

19、焊法等；6）在環(huán)境溫度較低時，應預熱、烘干接縫，加大電流，若多層焊不能連續(xù)焊完時，應采取保溫緩冷的措施，可減小焊接應力。2 2 工藝方面工藝方面1891年鋁合金材料首次應用于船舶制造，目前已成為造船工業(yè)很有發(fā)展前途的材料。最早應用于船舶建造的鋁合金為含Ni的A1Cu系合金，繼而采用的是A1CuMg系合金。這些合金抗腐蝕性能較差，因而也限制了它們在造船中的應用。（二）船用鋁合金的發(fā)展鋁合金建造艦船，可使艦船減重達50%以上；還可彌補鋼板在使用期間的銹損而引起的損傷，是十分理想的船體材料。鋁合金早期采用鉚接方法構造船體。40年代，開發(fā)出了可焊、耐蝕好的A1Mg系合金；50年代開始采用TIG焊技術，使這一時期鋁合金在造船上的應用進展很快。60年代，美國海軍先后開發(fā)出屬于A1Mg系合金的5086和5456合金板材、5086和5456合金擠壓型材， 并通過熱處理工藝解決了剝落腐蝕和晶問腐蝕問題。7080年代以后，船舶結構的合理化和輕量化越來越被重視，大型船舶的上層結構和舾裝件開始大量使用鋁合金。包括特種規(guī)格的擠壓型材、大型寬幅擠壓壁板和鑄件等。19661971年間美國建成第一批14艘的“阿希維爾”級高速炮艇，標準排水量225t，船長50.2m，寬7.2m，吃水2.9m，時速40