鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用實(shí)踐探微

劉繼鋒，郭 亮，王 宇

（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司，天津 300000）

我國造船業(yè)不斷發(fā)展，開始注重船舶的輕量化，而船舶工程對于材料具有嚴(yán)格的要求，而鋁合金具有高韌性和抗腐蝕性等優(yōu)勢，可以建造符合重量要求的船型。在船舶工程當(dāng)中利用鋁合金，可以減輕船舶的重量，進(jìn)一步提升船速，節(jié)約燃料，增強(qiáng)船舶運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)可以更加簡易的操作船舶，還可以增強(qiáng)船舶的抗沖擊能力。因此鋁合金在船舶工程當(dāng)中具有巨大的發(fā)展空間。

1 概述鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用和特性

1.1 船舶鋁合金的應(yīng)用

船舶工程當(dāng)中利用的鋁合金主要是Al-Mg-Si系和Al-Mg系，根據(jù)具體應(yīng)用位置劃分為上層舾裝鋁合金和船體結(jié)構(gòu)用鋁合金，其中舾裝包括桅桿和舷窗以及煙囪等，船體結(jié)構(gòu)包括各班和肋板以及船底外板等。船舶上層結(jié)構(gòu)的舷窗利用6063鋁合金，桅桿和舷梯主要利用6063和6061鋁合金型材。對于6061-T6鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以下就是應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線），可以明確6061-T6鋁合金對于裂紋非常敏感，其疲勞特性依賴于加載應(yīng)力幅值[1-5]。

圖1 6061-T6鋁合金S-N曲線

此外為了在船舶工程當(dāng)中更好的利用鋁合金材料，不僅可以利用優(yōu)質(zhì)鋁合金材料，還要加強(qiáng)考慮鋁合金焊接質(zhì)量，因?yàn)榇暗墓ぷ鳝h(huán)境比較特殊，因此具有較高的焊接質(zhì)量。首先需要試驗(yàn)不同鋁合金材料，確定最佳焊接參數(shù)，其次派遣專業(yè)技術(shù)人員按照規(guī)范完成焊接工作，尤其要謹(jǐn)慎完成焊接頭位置的工作，提高焊接質(zhì)量，保障焊接參數(shù)可以符合工程附件要求。最后要注重檢查焊接質(zhì)量，如果發(fā)現(xiàn)了焊接問題，就要立即采取措施解決，消滅工程隱患，充分發(fā)揮出船舶的性能。

1.2 船舶鋁合金的特性

因?yàn)榇笆褂铆h(huán)境比較特殊，因此對于鋁合金應(yīng)用提出較高的要求，例如要求鋁合金的抗沖擊和抗疲勞以及力學(xué)強(qiáng)度等都要符合要求。鋁合金具有較高的強(qiáng)度，因此很難統(tǒng)一鋁合金的耐腐蝕性和可焊接性，因此通常都是選擇中等強(qiáng)度的鋁合金，可以實(shí)現(xiàn)鋁合金的焊接。為了滿足船舶工程要求，需要不斷提高鋁合金的耐腐蝕性。針對Al-Mg合金，如果Mg含量在3%以內(nèi)，就會導(dǎo)致鋁合金剝落，此外因?yàn)槠涓g敏感性比較差，如果Mg含量在3%以上，在晶面就會產(chǎn)生網(wǎng)狀組織，在腐蝕過程中發(fā)揮出陽極的作用，首先就會被腐蝕，極大程度的提高鋁合金的腐蝕敏感性。要想使鋁合金的抗腐蝕性不斷提高，會利用表面處理和防腐涂層以及陰極保護(hù)等技術(shù)。船舶工程當(dāng)中的鋁合金保護(hù)電位在-1.3～0.7v范圍內(nèi)，可以發(fā)揮良好的抗腐蝕性，同時(shí)也可以避免發(fā)生氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂等問題，此外利用底漆的附著性隔絕海水，使船體的耐腐蝕性不斷提高。

我國造船業(yè)不斷發(fā)展，人們要求利用優(yōu)質(zhì)的船體構(gòu)件，熱處理Al-Mg系合金，無法強(qiáng)化鋁合金的性能，可以利用微合金化和加工硬化等方式，進(jìn)一步提高鋁合金綜合性能。添加適量的Sc元素在Al-Mg系合金當(dāng)中，會生成Al3Sc相，提升鋁合金再結(jié)晶溫度。與此同時(shí)也可以提高合金的耐腐性和抗旱熱接烈性以及屈服強(qiáng)度。總之在船舶工程當(dāng)中利用鋁合金是技術(shù)發(fā)展的趨勢，要想提升鋁合金性能，需要適應(yīng)船舶的復(fù)雜環(huán)境，相關(guān)工作人員需要不懈努力，研制出更加優(yōu)良的鋁合金產(chǎn)品。

2 鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用實(shí)踐

（1）民用船領(lǐng)域鋁合金的應(yīng)用。早在19世紀(jì)80年代瑞士公司就可以開始利用鋁合金民用船舶，但是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的鋁合金耐腐蝕性比較差，同時(shí)強(qiáng)度比較低，因此鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用并沒有取得很大的成就。發(fā)展到20世紀(jì)30年代鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用被重新重視，當(dāng)時(shí)普遍利用Al-Mg系合金和6061-T6合金，這些鋁合金具有良好的抗腐蝕性。后來在50年代鋁合金在船舶工程當(dāng)中不斷高速發(fā)展，來到70年代之后，鋁價(jià)開始下調(diào)，同時(shí)船舶結(jié)構(gòu)要求輕量化和合理化等要求，促進(jìn)船舶工程對于鋁合金的應(yīng)用。在80年代之后開始制作各種鋁合金游艇。

（2）工作船領(lǐng)域利用鋁合金。鋁合金工作船可以延長使用壽命，同時(shí)維護(hù)要求比較低，行駛速度也要更快些，其中鋁合金小型船使用壽命通常都可以達(dá)到幾十年，同時(shí)還不會產(chǎn)生較大的腐蝕性。如果制造技術(shù)比較落后，或者因?yàn)榉卿X結(jié)構(gòu)老化，導(dǎo)致鋁合金船只被退役。利用5000和6000系鋁鎂合金的耐蝕性能不斷提升。

（3）LNG貨船應(yīng)用鋁合金。我國逐漸全面開發(fā)了油氣資源，天然氣供應(yīng)地和需求地的距離不斷增長，二者之間可能還會間隔著大洋，因此液化天然氣輸送通常都是利用LNG貨船輸送。設(shè)計(jì)LNG船儲存罐的時(shí)候，需要利用具備良好低溫性能的金屬，還要具備一定的強(qiáng)度和韌性。在低溫情況下，鋁合金強(qiáng)度更高一些，再加上鋁合金質(zhì)量比較輕，是海洋環(huán)境和低溫環(huán)境下的理想材料。LNG貨船需要至少5個球形儲罐，需要利用較寬的鋁鎂合金板制作，通過高電流氣態(tài)金屬焊接工藝焊接。

（4）海洋直升機(jī)利用鋁合金。海上石油鉆井平臺通常都是利用鋼材料，因此長期在海洋環(huán)境當(dāng)中暴露，鋼材料雖然強(qiáng)度比較高，但是也會發(fā)生銹蝕問題，縮短使用壽命。直升機(jī)停機(jī)坪是海上油氣資源開發(fā)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)起降直升機(jī)，同時(shí)也關(guān)系到和路堤的日常聯(lián)系。因?yàn)轶w積比較大，對于自重和結(jié)構(gòu)剛度等方面都具有一定的要求，鋁制直升機(jī)甲板模塊自重比較輕，強(qiáng)度和剛度等因素也比較好，因此被廣泛的利用。

鋁合金直升機(jī)平臺包括底架和甲板塊，上底板和下底板之間具有空腔，利用鋁合金型材的抗彎性能，不僅可以滿足性能要求，還可以使自重由此減輕。此外在海洋環(huán)境中的鋁合金直升機(jī)平臺，維護(hù)工作實(shí)施過程更加方便，同時(shí)教育良好的耐蝕性。利用型材拼接方式，因?yàn)闊o需利用焊接，不會產(chǎn)生焊接的熱影響區(qū)，可以使使用壽命由此延長，避免工程失效。

3 鋁合金在船舶工程中應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)

（1）裝配精度。裝配鋁合金船體的時(shí)候，裝配精度比一般鋼船標(biāo)準(zhǔn)高一些，裝配拼版的過程中，留出一定0.55mm范圍內(nèi)的錯開度。骨架裝配當(dāng)中，保證骨架間距和位置偏差以及對接間隙等處于特定范圍之內(nèi)。艙壁裝配當(dāng)中，要控制好位置偏差精度和外板間隙精度。

（2）裝配順序。裝配過程中要注重好順序，最好是在中間開始，再向兩端進(jìn)行裝配。在建造過程中分段建造鋁合金船體，首先要確定船舯和中心龍骨，再裝配兩側(cè)的肋骨段，這種裝配方式的基礎(chǔ)是船舯，實(shí)行過程比較困難，但是不會產(chǎn)生較大的誤差，施工精度比較高。

（3） 控制焊接參數(shù)。為了避免焊接過程出現(xiàn)變形問題，焊接工作人員需在焊接之前，需要合理的設(shè)計(jì)焊接參數(shù)。設(shè)計(jì)好焊接電流和電弧電壓等參數(shù)之后，施工人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)方法施工，順利焊接鋁合金船體。安裝好外板之后，要繼續(xù)利用點(diǎn)焊的方式，合理計(jì)算點(diǎn)焊的監(jiān)督和長度。如果外板厚度比較大，就可以稍微增大點(diǎn)焊的間距，如果厚度比較小，需要適當(dāng)?shù)臏p小點(diǎn)焊距離 。

4 結(jié)束語

綜上所述，鋁合金在船舶工程中當(dāng)中的應(yīng)用越來越廣泛，鋁合金作為船體材料，可以提高船舶的穩(wěn)定性和速度，降低能耗。在未來發(fā)展過程中，需要不斷推出鋁合金材料的優(yōu)勢，在海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中推廣利用鋁合金材料，拓展行業(yè)發(fā)展空間，滿足更高的要求。