鋁合金船舶設(shè)計(jì)及制造要點(diǎn)研究

梁劍平

摘 要：文章以14m鋁合金快艇為例，通過(guò)船用鋁合金選材及工藝要求，設(shè)計(jì)鋁合金船舶的相關(guān)性能，并重點(diǎn)就鋁合金船舶的焊接進(jìn)行了重點(diǎn)討論，經(jīng)試航，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鋁合金；船舶；設(shè)計(jì)；制造

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）11-0036-02

鋁元素含量豐富，僅次于氧和硅，位列地球中元素含量的第三位。在金屬制品中，鋁制品是位居鐵之后的第二大使用量的金屬。金屬鋁及其合金制品具有耐腐蝕性、無(wú)磁性、較高比強(qiáng)度以及導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，尤其是鋁合金質(zhì)量輕，載重量大，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、船舶工業(yè)以及汽車制造等領(lǐng)域。1891年，瑞士首先用鋁材建造了世界上第一艘鋁制小船，1954年，日本用全鋁材建造了巡視艇。近年來(lái)，隨著高端鋁合金船艇的大量建造，我國(guó)的客運(yùn)交通、休閑旅游、公務(wù)執(zhí)法等領(lǐng)域?qū)τ阡X合金船艇的市場(chǎng)需求量不斷增加，也給造船企業(yè)帶來(lái)了很好的發(fā)展機(jī)遇。用鋁合金建造的船艇能耗少，航速快，尤其是在高速快艇建造中被廣泛應(yīng)用。但與其他鋼質(zhì)艦艇不同的是，鋁合金高速艇的設(shè)計(jì)要求高、工藝材料、焊接、切割等有著特殊要求，因此，熟練掌握鋁合金高速快速快艇的設(shè)計(jì)及制造工藝，對(duì)于提升船舶設(shè)計(jì)及建造水平具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 船用鋁合金的選材及工藝要求

1.1 船用鋁合金選材

1970年以來(lái)DNV的《高速輕型艇規(guī)范》認(rèn)證設(shè)計(jì)和要求，鋁合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶的制造當(dāng)中，常見(jiàn)鋁及其金屬制品是銀白色的輕金屬，鋁合金命名常采取的是四位數(shù)字體系牌號(hào)（見(jiàn)表1）。

應(yīng)用于船舶的鋁合金金屬主要是Al-Mg體系中的5083號(hào)和6082號(hào)，它們與傳統(tǒng)的碳素鋼相比，在密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、屈服應(yīng)力、凝固時(shí)體積收縮率、拉伸率和抗拉強(qiáng)度等物理特性方面差距較大。在鋁合金船舶設(shè)計(jì)的選材過(guò)程中，重點(diǎn)需要考慮的船舶的結(jié)構(gòu)受載荷和腐蝕環(huán)境等因素。

基于DNV認(rèn)證的5000系列中不同牌號(hào)及其回火條件，以及力學(xué)性能的差異，和6000系列及其熱處理?xiàng)l件對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能的不同，例如6005A和6061鋁合金在船舶設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)做好油漆崗湖或被陽(yáng)極化防護(hù)，否則是不能夠直接與海水接觸。總之，在鋁合金船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中具有較大的材料選擇應(yīng)用空間。

以14m鋁合金船舶設(shè)計(jì)為例，考慮船舶的設(shè)計(jì)體積長(zhǎng)度比對(duì)阻尼影響大這一特點(diǎn)，因此，盡量減輕船舶重量對(duì)于排水量快艇的適航影響較大。因此，應(yīng)盡量選擇使用輕型設(shè)備，如鋁合金作為船體和甲板室的材料，在耐磨性、抗撞擊性等方面鋁合金選材都具有較大優(yōu)勢(shì)。

1.2 鋁合金船舶工藝要求

鋁合金船舶的焊接是其建造的重點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)際建造時(shí)應(yīng)采用變形小、效率高的焊接設(shè)備，其中常用的焊接工藝有熔化極自動(dòng)/半自動(dòng)氬弧焊MIG，鎢極自動(dòng)氬弧焊TIG等，總之，要求船舶建造人員要熟練掌握焊接工藝及其試驗(yàn)條件。此外，船舶建造企業(yè)要做好場(chǎng)地、設(shè)備等配備工作，以及鋁材切割、下料和余量修正方面都要預(yù)先準(zhǔn)備好各種設(shè)備。

2 鋁合金船舶性能設(shè)計(jì)

2.1 總體布局

考慮鋁合金快艇的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，在總體布局方面通常會(huì)在主甲板之上設(shè)計(jì)一個(gè)單層的甲板室，提高鋁合金船舶的穩(wěn)定性和安全性，減小上層建筑的投影面積，增強(qiáng)船舶在風(fēng)浪環(huán)境下航行的適航性能。主甲板之下設(shè)計(jì)有艏尖艙、清水箱（最底層）、工作間、燃油箱和機(jī)艙（船艉部）等。按照《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范（2012）》對(duì)B級(jí)航區(qū)、J2級(jí)航段船舶的要求進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，主體采用縱骨架模式，船體及甲板采用5083鋁合金，型材采用的是6082鋁合金。

2.2 推進(jìn)方式

考慮船舶航速設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，選擇主機(jī)功率的大小。常用的船舶推進(jìn)方式由螺旋槳和噴水動(dòng)力推進(jìn)兩種方式，其中，前者因吃水較小限制了大直徑螺旋槳的應(yīng)用，降低了推進(jìn)效率，此外，考慮14m鋁合金船舶設(shè)計(jì)尺度屬于較小范圍，線型處理難度較大，軸系及機(jī)艙布置較難，因此，選擇噴水推進(jìn)的方式。14m鋁合金船舶的噴水推進(jìn)模式，適合于較淺的吃水，操作簡(jiǎn)便，通過(guò)噴嘴角度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船舶航行時(shí)就地調(diào)頭或側(cè)移，運(yùn)行操作十分簡(jiǎn)便。

2.3 線型設(shè)計(jì)

14m鋁合金船舶較小，為了改善高速航行時(shí)的適航性能，建議線型設(shè)計(jì)時(shí)，船舶的艏部采用圓舭線型，船舶的尾部采用折角線型，以此來(lái)增大船舶的橫搖阻尼，減小船舶橫搖的角度。

2.4 快速性

在船舶應(yīng)用適航條件中，風(fēng)力不超過(guò)蒲氏2級(jí)，100%的主機(jī)功率，船殼清潔，充分考慮船舶滿載設(shè)計(jì)吃水。在靜深水水域狀態(tài)下，單船的自由試航速度為34km/h。

3 鋁合金船舶焊接及工藝參數(shù)

鋁合金船舶的易氧化性、低熔點(diǎn)、線性膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，增加了船舶建造過(guò)程中的焊接難度。目前，常用到的焊接技術(shù)主要有TIG焊、MIG焊等，并包含有自動(dòng)、半自動(dòng)和手工焊接等模式，在實(shí)際應(yīng)用中利用各種焊接模式的優(yōu)勢(shì)做到互為補(bǔ)充。例如，TIG鎢極焊通常應(yīng)用于自動(dòng)和手工焊，MIG氬弧焊則常應(yīng)用于半自動(dòng)焊（見(jiàn)表2）。目前，鋁合金船舶制造中最長(zhǎng)使用的焊接方式是MIG焊，具有去膜和熔敷效率高，氬氣成本較低作為保護(hù)氣體等優(yōu)勢(shì)。

鋁合金高速船的建造通常需要滿足一定的設(shè)計(jì)航速，例如該14m鋁合金船舶的設(shè)計(jì)航速為34km/h，為達(dá)到這一航速，在船體線型和主機(jī)功率不變的情況下，控船的重量將會(huì)直接影響航速及其油耗。鋁合金船舶焊接時(shí)應(yīng)盡可能采用間斷焊，有效控制焊接變形等問(wèn)題。①焊腳高度除滿足規(guī)范要求外，角焊縫焊腳≥3mm，間斷焊縫焊腳≤7mm，連續(xù)長(zhǎng)度一般≥15被板厚或75mm。型材端部包角長(zhǎng)度應(yīng)為型材高度。鋁合金船舶的船舷側(cè)防撞護(hù)舷材對(duì)應(yīng)的船殼內(nèi)縱骨、長(zhǎng)時(shí)間附著冷凝水區(qū)域、角隅圓弧和斜切角、上建艙壁對(duì)應(yīng)甲板下骨材等都要采取雙面連續(xù)焊。②做好鋁合金船舶焊接變形控制以及變形后的矯正措施。例如，通過(guò)控制焊接順序、預(yù)留出反變形余量等做好變形控制；通過(guò)焊接、冷加工以及水火等控制措施做好變形矯正。

4 結(jié)語(yǔ)

與鋼制船舶相比，鋁合金船舶的設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于高速船、公務(wù)船、游艇等領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)和工藝要求具有鮮明特點(diǎn)，在規(guī)范要求、焊接設(shè)計(jì)和焊接工藝方面比鋼制船舶要求更加嚴(yán)格，這對(duì)船舶的設(shè)計(jì)和建造提出了更高要求。尤其要重點(diǎn)做好鋁合金選材以及焊縫設(shè)計(jì)，控制焊接變形，并做好航行、系泊等試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期建造目標(biāo)后交付使用。

參考文獻(xiàn)：

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