鋁合金船舶設計及制造要點研究

梁劍平

摘 要：文章以14m鋁合金快艇為例，通過船用鋁合金選材及工藝要求，設計鋁合金船舶的相關性能，并重點就鋁合金船舶的焊接進行了重點討論，經試航，達到了設計要求，具有很好的市場應用前景。

關鍵詞：鋁合金；船舶；設計；制造

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：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、無磁性、較高比強度以及導熱性好等特點，尤其是鋁合金質量輕，載重量大，被廣泛應用于航空航天、機械制造、船舶工業以及汽車制造等領域。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，隨著高端鋁合金船艇的大量建造，我國的客運交通、休閑旅游、公務執法等領域對于鋁合金船艇的市場需求量不斷增加，也給造船企業帶來了很好的發展機遇。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用。但與其他鋼質艦艇不同的是，鋁合金高速艇的設計要求高、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計及制造工藝，對于提升船舶設計及建造水平具有積極的現實意義。

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DNV的《高速輕型艇規范》認證設計和要求，鋁合金已經廣泛應用于船舶的制造當中，常見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字體系牌號（見表1）。

應用于船舶的鋁合金金屬主要是Al-Mg體系中的5083號和6082號，它們與傳統的碳素鋼相比，在密度、熔點、導熱率、屈服應力、凝固時體積收縮率、拉伸率和抗拉強度等物理特性方面差距較大。在鋁合金船舶設計的選材過程中，重點需要考慮的船舶的結構受載荷和腐蝕環境等因素。

基于DNV認證的5000系列中不同牌號及其回火條件，以及力學性能的差異，和6000系列及其熱處理條件對應的力學性能的不同，例如6005A和6061鋁合金在船舶設計應用中應做好油漆崗湖或被陽極化防護，否則是不能夠直接與海水接觸。總之，在鋁合金船舶設計過程中具有較大的材料選擇應用空間。

以14m鋁合金船舶設計為例，考慮船舶的設計體積長度比對阻尼影響大這一特點，因此，盡量減輕船舶重量對于排水量快艇的適航影響較大。因此，應盡量選擇使用輕型設備，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勢。

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和難點，實際建造時應采用變形小、效率高的焊接設備，其中常用的焊接工藝有熔化極自動/半自動氬弧焊MIG，鎢極自動氬弧焊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條件。此外，船舶建造企業要做好場地、設備等配備工作，以及鋁材切割、下料和余量修正方面都要預先準備好各種設備。

2 鋁合金船舶性能設計

2.1 總體布局

考慮鋁合金快艇的現實應用，在總體布局方面通常會在主甲板之上設計一個單層的甲板室，提高鋁合金船舶的穩定性和安全性，減小上層建筑的投影面積，增強船舶在風浪環境下航行的適航性能。主甲板之下設計有艏尖艙、清水箱（最底層）、工作間、燃油箱和機艙（船艉部）等。按照《內河高速船入級與建造規范（2012）》對B級航區、J2級航段船舶的要求進行布局設計，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 推進方式

考慮船舶航速設計的實際要求，選擇主機功率的大小。常用的船舶推進方式由螺旋槳和噴水動力推進兩種方式，其中，前者因吃水較小限制了大直徑螺旋槳的應用，降低了推進效率，此外，考慮14m鋁合金船舶設計尺度屬于較小范圍，線型處理難度較大，軸系及機艙布置較難，因此，選擇噴水推進的方式。14m鋁合金船舶的噴水推進模式，適合于較淺的吃水，操作簡便，通過噴嘴角度的調整，實現船舶航行時就地調頭或側移，運行操作十分簡便。

2.3 線型設計

14m鋁合金船舶較小，為了改善高速航行時的適航性能，建議線型設計時，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

在船舶應用適航條件中，風力不超過蒲氏2級，100%的主機功率，船殼清潔，充分考慮船舶滿載設計吃水。在靜深水水域狀態下，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

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

鋁合金高速船的建造通常需要滿足一定的設計航速，例如該14m鋁合金船舶的設計航速為34km/h，為達到這一航速，在船體線型和主機功率不變的情況下，控船的重量將會直接影響航速及其油耗。鋁合金船舶焊接時應盡可能采用間斷焊，有效控制焊接變形等問題。①焊腳高度除滿足規范要求外，角焊縫焊腳≥3mm，間斷焊縫焊腳≤7mm，連續長度一般≥15被板厚或75mm。型材端部包角長度應為型材高度。鋁合金船舶的船舷側防撞護舷材對應的船殼內縱骨、長時間附著冷凝水區域、角隅圓弧和斜切角、上建艙壁對應甲板下骨材等都要采取雙面連續焊。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，通過控制焊接順序、預留出反變形余量等做好變形控制；通過焊接、冷加工以及水火等控制措施做好變形矯正。

4 結語

與鋼制船舶相比，鋁合金船舶的設計廣泛應用于高速船、公務船、游艇等領域，其設計和工藝要求具有鮮明特點，在規范要求、焊接設計和焊接工藝方面比鋼制船舶要求更加嚴格，這對船舶的設計和建造提出了更高要求。尤其要重點做好鋁合金選材以及焊縫設計，控制焊接變形，并做好航行、系泊等試驗，達到預期建造目標后交付使用。

參考文獻：

[1]文孟軼.鋁合金高速船建造特點[J]中國水運，2014（8）：62-63

[2]陳鋒.鋁合金船艇制造的要點和工法[J]船舶標準化與工程師，2015（1）：25-28endprint