| 新型船舶制造技术 —— 搅拌摩擦焊 |
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| 日期：2007-7-4 21:04:59 人气：39 [大 中 小] |
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1 前 言
快速舰船的发展提高了水上交通的竞争力，使船舶工业进入新的发展阶段。这种新的市场需求，世界对环境保护、材料的高效利用以及能源消费等诸多方面的日益关注，要求船舶制造业寻求新的材料和新的制造技术来满足市场的需要。
搅拌摩擦焊 —— 一种由英国焊接研究所（ TWI ）在1991年发明并受到世界范围内专利保护的新型连接技术，为工业制造领域轻合金结构件的连接翻开了崭新的一页。随着搅拌摩擦焊的发明和发展，用搅拌摩擦焊来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，是船舶制造领域革命性的进步。
在国外船舶制造领域，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发，并且得到了成功的应用。在挪威、日本以及澳大利亚已经有多个船舶制造公司利用搅拌摩擦焊技术来制造大型船舶铝合金结构件，这些预成型结构件一般为板材或挤压型材；利用搅拌摩擦焊可以使船舶制造的装配更加精确、容易以及节省时间，从而使船舶制造由零件的制造装配转变为船舶甲板以及壳体的预成型结构件的装配。
在中国，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在2002年4月，北京航空制造工程研究所与TWI在全面专利许可和技术合作基础上成立的中国搅拌摩擦焊中心，标志着搅拌摩擦焊事业在中国的正式开始，是中国焊接技术发展史上又一块崭新的里程碑；预计在不远的将来，搅拌摩擦焊在中国的船舶制造业中会有广泛的应用。
2 用型材拼接成壁板构件的搅拌摩擦焊制造技术
最近，随着舰船工业快速舰船的需求增长，船舶制造要求不仅是速度的增加，而且要求性能价格比的提高，所以船舶制造要尽可能选用高性能的铝合金材料，来降低船舶重量；但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量；另外，铝合金熔焊时容易产生裂纹、气孔、变形、烟尘等，限制了弧焊在铝合金构件上的使用。
搅拌摩擦焊的发明和在工业制造领域的成功应用，以及基于搅拌摩擦焊在制造可行性、重量、质量和成本等方面的巨大优越性，搅拌摩擦焊为船舶制造中铝合金结构件的连接提供了最佳方案。
2.1 型材拼接壁板结构件
早在1996年挪威的Marine公司和Maritime公司就对搅拌摩擦焊船用平板和型材拼接成大型壁板的流水生产线制造技术进行了开发研究；同时在挪威研究委员会的帮助下，Hydro , Kvaerner , DNV , SINTEF , 以及挪威科学与技术大学合作，完成了把搅拌摩擦焊用于型材拼接成壁板技术的工程化。
铝合金挤压型材是市场上很成熟的工业化产品，铝合金型材在船舶制造中的使用可以有效提高船舶制造的标准化、批量化和节省时间。所以船舶制造所使用型材的形状和尺寸尽量满足工业化标准以提高船用铝合金型材的批量和降低材料成本。图1示出了船舶制造中搅拌摩擦焊常用型材的不同几何外形及搅拌摩擦焊连接。其中C为梯形封闭箱型挤压型材结构，由于这种结构具有很好的抗扭曲结构强度和结构刚度，容易保证结构件装配时的尺寸精度和平面度，并且对于搅拌摩擦焊具有较大的开敞性，所以在船舶结构制造中很快得到应用；另外此结构梯形顶端设计具有较低的凸缘，可以帮助装夹和固定电缆以及通水、通气管线，避免在结构件上进行焊接和螺栓连接，破坏船体结构的完整性。
图1 搅拌摩擦焊常用铝合金型材及用搅拌摩擦焊连接
成壁板结构
2.2 型材壁板结构搅拌摩擦焊
由于受到制造技术的限制，市场上的挤压型材的尺寸一般不会很大，所以利用搅拌摩擦焊把小尺寸的铝合金型材连接成船舶制造所需要的大型预成形壁板构件，已经成为轻合金船舶制造的主要手段。
利用搅拌摩擦焊，国外船用大型集成化预成形铝合金构件的制造目前实现批量化和工业化，通过对型材结构和制造成本的优化，尺寸为12.5 m × 2.8 m的铝合金预成形结构件已经实现了批量化生产和应用。然而，越来越多的生产厂家要求尽可能宽的预成形板材，以减少船舶制造过程中的装配工作量。目前用于双体快船侧板制造的搅拌摩擦焊预成形结构件的尺寸已经达到13 m × 16 m，图2为中国搅拌摩擦焊中心制造的大壁板型材搅拌摩擦焊样件。
搅拌摩擦焊具有很稳定的生产再现性和很宽的工艺裕度，所以搅拌摩擦焊是一种高可靠性的制造方法，迄今，尽管搅拌摩擦焊在船舶制造行业发展和应用很快，并且这种连接方法得到了Germanischer Lioyd , Det Norske Veritas 以及Registro Italiano Navale等船级认证机构的认可和肯定，但还没有国际性的统一标准；搅拌摩擦焊预成形结构件的检验标准目前还是以同种材料的熔焊检验标准为参考。
图 2 中国搅拌摩擦焊中心制造船用型材搅拌摩擦焊样件
2.3 搅拌摩擦焊预成形结构件应用
搅拌摩擦焊预成形结构件由于受到交通运输条件的制约，制造的型材壁板的最大尺寸受限，结构件在船厂需要进一步的装配、固定以及适时拼接成形。然而，对于船厂来说预制结构件的成形程度越高意味着船厂工作量的减少和装配时间的缩短，所以搅拌摩擦焊制造的预成形结构件在使用前还需要根据用户的要求做进一步的裁剪、成型，增加衍梁和加强件；甚至如图3所示对预形结构件进行切削加工完成船体侧板窗体的制造。
图 3 制造中的带窗体的搅拌摩擦焊预成形结构件
[Marine]
在挪威，Marine公司生产的双体快艇和巡航班轮，从设计开始就大量采用了搅拌摩擦焊预成形结构件和模块。从而保证船厂能够实现高效的流水生产线制造，目前挪威大约有25 %的船用铝合金由搅拌摩擦焊制造，总体制造成本大约可以降低4 % ~ 5 %。
3 海洋游船船体的搅拌摩擦焊
澳大利亚Adalaide大学与英国TWI合作开发了一种轻便型的搅拌摩擦焊设备，用于轻型高速海洋游船的曲面壁板的焊接，船体材料为厚度5 mm的5083--H321铝合金板材；另外，在此船体前甲板等结构中也采用了搅拌摩擦焊，搅拌摩擦焊壁板焊接完成后要经过爆炸成型。焊接完成后对焊接接头进行目视检查和无损检查，没有发现焊接缺陷。基于此项目的研究，澳大利亚RFI公司研制成功了新型海洋游船，并为此申请了专利保护。
4 搅拌摩擦焊在其他船舶构件中的应用
日本SLM公司利用搅拌摩擦焊技术完成了夹层结构件和海水防护平板的制造；后者由5块宽度为250 mm的5083--H112铝合金材料挤压型材，用搅拌摩擦焊来制成1 250 ×500 mm 的船舱用海水防护壁板。
瑞典Sapa公司利用搅拌摩擦焊技术完成了渔船深度冷却需要的中空铝合金壁板结构件的焊接，这些壁板由铝合金挤压型材连接而成。搅拌摩擦焊由于其本身具有焊接变形小，制造重复性高、稳定性好等特点成为这种刚性结构件制造方法的首选。
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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