某漁政船鋼鋁結構連接方式研究

摘" " 要：漁政船為了保證執法時的航速、續航力和自持力，采用鋁合金上建減少空船重量顯得尤為重要。鋁合金與碳鋼物理性質和熔點差別大，很難用傳統的直接熔焊方式焊接。本文以漁政船為目標船型，采用層次分析法對其采用的“鋁-鋁-鋼復合材料接頭”作為焊接介質，并配合使用絕緣螺栓將鋁鋼連接的方式，探討一種船舶鋁鋼結構船的連接解決方案。該方案可有效解決鋼鋁結構連接技術難題，提高連接效率，具有較好的經濟效益。

關鍵詞：鋁-鋁-鋼復合材料過渡接頭；絕緣螺栓；船舶鋼鋁結構連接

中圖分類號：U663.9" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Design of Connection Mode for Steel-Aluminum Structure of One Fishery Administration Ship

ZHAI Yunlei

（ Fu Jian Dong Nan Shipbuilding Ltd.，" "Fuzhou" 350015， China ）

Abstract： In order to ensure the speed， endurance and self-sustaining ability of the fishery administration ship during law enforcement， it is particularly important for reducing the lightship weight by using the aluminum alloy superstructure. Due to the large difference in physical properties and melting point between aluminum alloy and carbon steel， it is very difficult to use the traditional direct fusion welding method. Therefore， this paper takes the fishery administration ship as the target ship type， adopts the hierarchical analysis method to use the \"aluminum-aluminum-steel composite matreial joint\" as the welding medium， and in cooperating with insulation bolts as steel-aluminum connection method， and explores a connection solution for aluminum and steel structure ship. This solution can effectively solve the technical problems of steel and aluminum structure connection， improve connection efficiency， and have good economic benefits.

Key words： aluminum-aluminum-steel composite material transition joints;" insulation bolt;" ship aluminum steel structure connection

1" " "引言

鋁在接觸空氣后會在其表面形成一層致密、堅固的氧化鋁薄膜，能很好地抵御海水的侵蝕。又因為鋁的密度只有鐵的三分之一，在同等船身大小的前提下，鋁合金船體質量更輕，大大有利于船舶提升速度，在同等油量下可獲得更長的續航里程， 提高燃油經濟性。

本司承建的某漁政船，承擔某市轄區內海域漁業行政執法，兼顧農業、水利、漁業海難救助等任務。漁政船的航速要求高，為保證航速，空船重量的控制十分重要。該漁政船主船體和機艙棚采用CCS B級鋼材，上建甲板室前端壁板采用牌號為5083-H116的耐腐蝕鋁合金板材，甲板室內圍壁板與外圍壁板采用牌號為6082-T6的鋁合金帶筋板，型材采用牌號為6082-T6的鋁合金型材，T型組合型材采用牌號為5083-H116的鋁合金板材焊接，材料性能滿足中國船級社《材料與焊接規范》（2015）相關要求。同時考慮機艙設備維修的便捷性，機艙棚的結構設計為可拆式，便于吊離。船體結構示意布置，見圖1。

鋼和鋁的焊接，一直是焊接領域的難點問題。目前鋁、鋼二者焊接方式有釬焊、壓力焊、攪拌摩擦焊、熔焊。因鋁和鋼的晶體結構、熱物理性能差異較大（見表1），焊接性很差；同時在鋼與鋁焊接過程中，會產生各種金屬間化合物，這就增加了焊縫的脆性，降低了焊縫的塑性和韌性。采用一般的熔焊方法時，以上這些因素給兩者之間的連接造成了困難[1]。雖然鋼和鋁的焊接方法有很多，但是基本都還處于試驗階段，離實際生產需求還有差距。

考慮船舶建造的施工條件、強度要求、施工效率等因素，結合鋼和鋁焊接性的分析，本船的連接方式作如下設計：上建鋁質圍壁與鋼質主甲板采用鋁-鋁-鋼復合材料過渡接頭（已下簡稱鋁鋼復合接頭，見圖2）；上建圍壁豎桁下端頭與主甲板肘板采用絕緣螺栓連接（見圖3）；機艙棚與主船體、鋁質圍壁采用可拆連接型式。

2" " "鋁合金結構與鋼結構采用鋁鋼復合接頭連接

鋁-鋼復合材料接頭作為一種新型的焊接介質在船舶鋁鋼結構連接中逐漸引起了研究者們的關注[2]。傳統的焊接方式在鋁鋼結構連接中存在著諸多挑戰和問題，如對焊接材料的要求高、成本高等問題。而采用鋁-鋼復合材料接頭則能有效地克服這些問題，實現鋁鋼結構連接的可靠性和穩定性。本文針對鋁-鋼復合材料接頭在船舶結構中的焊接方法和密性檢測等開展應用和研究，可為鋼鋁混和結構船舶結構的設計和制造提供可靠的技術支持。

本船采用的鋁鋼復合接頭主要組成為：鋁合金5083、純鋁1050和D級鋼共三層。上建鋁質圍壁與鋼質主甲板連接節點見圖2。由于鋁合金工程對焊接的工藝要求高，在產品開工前必須做好焊接工藝的評定認可工作。同時鋁鋼復合接頭是本廠第一次使用，焊接工藝評定需根據CCS要求進行。

2.1" "焊接工藝評定

根據表2、3中鋁合金和B級鋼化學成分，選用焊絲型號規格：ER5183/Φ1.2 mm/WC、T492T1-1C1A/Φ1.2 mm/3YSH10。根據焊接經驗擬定的焊接工藝見表4，在圖4所示鋁鋼復合接頭兩側分別焊接5083鋁合金板和B級鋼板。鋁材極易氧化形成氧化膜，容易導致焊接氣孔，所以焊前一定要采用化學清洗法清理焊縫處氧化膜。在船東與船檢監督下，對焊后構件做表面滲透探傷，以及十字拉伸試驗和宏觀腐蝕檢查。根據探傷和試驗結果，接頭抗拉強度和焊縫質量滿足CCS要求。

2.2" "鋁鋼復合接頭對接連接

鋁鋼復合接頭的使用將鋼結構與鋁合金焊接轉變成二者與過渡接頭連接，解決了鋁鋼直接焊接難的問題。考慮到船舶建造成本和廠家的制造能力，該船采購的鋁剛復合接頭長度為2.4 m，這又衍生出另外一個問題：過渡接頭與過渡接頭間如何連接才能保證施工后的結構強度和密性。經過試驗得出以下解決辦法：

1）根據上建艙壁安裝理論線的朝向，在主甲板面定位鋁鋼復合接頭，兩根接頭間隙調整為6 mm。上建分段裝焊到位后，對過渡接頭對接縫鋼質部分采用φ3.2 mm焊條手工填焊，堆焊的高度約13 mm（距離純鋁層約2 mm）；

2）因為對于過渡接頭的鋁質部分不能采用直接焊接，采用環氧樹脂膠填滿對接接頭（見圖5）。

環氧樹脂膠的選用，不但解決了對接縫焊接難的問題，也保證了密性。

3" " "鋁合金與鋼質結構螺栓連接

針對上建與主甲板的連接肘板、吊離式機艙棚的連接，若使用鉚接方式，除了不方便后期維護拆卸外，還存在以下問題：需要專業的鉚接設備和施工人員；所需鉚釘數量比較少，廠家供貨較貴；鉚接孔壁不易涂裝，鉚釘將會將鋼、鋁結構間接連接接觸，造成鋁板電偶腐蝕[3]，從而影響連接部位的穩定性和耐久性。

絕緣螺栓表面鍍有1 mm絕緣材料，配合適用尼龍墊片，可以將鋁鋼結構分離，有效的防止電化學腐蝕的發生。同時，絕緣螺栓還具有良好的機械性能，能夠確保連接部位的緊固和穩定。絕緣螺栓代替焊接型式，有效避免焊接頭的熱影響區，消除熱變形及其殘余應力，提高連接處的穩定性和可靠性。最終船廠考慮采用不銹鋼絕緣螺栓組件將兩者連接。

3.1" 上建圍壁的豎桁與主船體鋼質肘板連接

鋼質肘板和鋁合金豎桁螺栓孔按圖2 a）鉆孔（T組合材腹板，采用雙排孔交錯布置），5 mm厚的隔離橡膠墊片螺栓孔提前預鉆孔。上建鋁合金總組分段根據對合線吊裝就位，優先保證艙壁結構與主船體結構對齊定位。上建外壁裝焊完成后，每一塊肘板和隔離橡膠墊先使用2個絕緣螺栓固定在鋁合金豎桁上，再焊接肘板與主甲板的連接角焊縫。待肘板焊接完成后，安裝并鎖緊其余螺栓組件，典型節點見圖3。此節點不但滿足了強度要求提高了施工效率，同時又減少了建造成本，減緩鋁合金銹蝕，延長使用年限。

3.2" "吊離式機艙棚結構與上建結構連接

出于機艙設備維修方便考慮，機艙棚結構采用可吊離的結構型式。機艙棚前端側壁與上建鋁合金側壁后端采用結構搭接并用絕緣螺栓連接的型式；機艙棚與主船體、上建結構水平連接面采用螺栓式基座連接型式。

1）鋼質機艙棚前端與上建后壁結構采用絕緣螺栓連接。

上建側壁延伸約100 mm與機艙棚前端結構搭接，參考圖6所示。搭接面開啟雙排交錯的螺栓孔，采用絕緣螺栓鎖緊。搭接面的隔離橡膠墊需提前鉆孔，并使用膠水黏在鋁合金結構面。施工過程中，將搭接面螺栓分成幾段逐步鎖緊，有利應力均布，以免結構拱起影響密性。

2）機艙棚下端的底座連接

機艙棚的下端與主甲板、上建甲板面采用螺栓式底座，見圖7所示“連接方式3”（與主甲板面連接采用普通不銹鋼螺栓，與鋁合金甲板面仍采用絕緣螺栓連接）?？紤]施工過程中機艙棚可能會反復被吊起，橡膠墊涂適當膠水固定在下方基座上，以免起吊過程中反復鋪設橡膠墊。

4" " 密性檢測

按標準要求，舷側外板、各層甲板、艙壁、以及露天的甲板室頂等要采用沖水方式檢驗密性[4]，上文闡述的3種連接方式處按下方要求檢驗：

1）試驗用噴嘴的直徑不小于12 mm；

2）試驗時，噴嘴出口處壓力應不小于0.2 MPa，噴嘴至被測試的位置距離不大于1.5 m；

3）試驗時，螺栓連接處從艙壁外側沖水，焊接處可在任意一面沖水，垂直連接處應自下而上沖水；

4）沖水水柱直接對準焊縫、搭接縫位置噴水，水柱連續覆蓋，檢查焊縫背面。

5" " "結語

該船運營一年后回訪得知，船體結構未發生變形和漏水現象，證明該船采用的鋁鋼連接方式滿足要求，由此得出了以下結論：

1）鋁鋼復合接頭解決了船舶鋁合金結構和鋼質結構直接焊接的難題；

2）鋁鋼復合接頭間對接縫采用填充環氧樹脂方式可以滿足密性要求；

3）采用絕緣螺栓緊固件取代鉚接型式可以滿足強度要求。絕緣螺栓的應用不僅可以滿足船舶結構對連接件強度和耐久性的要求，還可以提高船舶的抗腐蝕性能和耐候性能。通過優化絕緣螺栓的選擇和安裝方式，可以進一步提高船舶鋁鋼結構連接的穩定性和可靠性；

4）機艙棚結構采用螺栓式底座不僅拆卸便利，同時滿足強度和密性要求。

隨著環保意識的日益增強，輕量化、耐腐蝕的鋁合金材料在船舶制造中的應用越來越廣泛。文中設計的三種鋁鋼連接型式，不僅能夠提高船舶的整體性能，降低維護成本，可為鋁合金材料在船舶制造中的廣泛應用提供有力的技術支持，推動船舶制造業的綠色發展。

參考文獻

[1]曹睿，余剛，陳劍虹.鋁合金和鍍鋅鋼異種金屬CMT焊接性分析[J].

焊接， 2012（1）：31-36+70-71.

[2]胡天寒，吳天海，潘華，等.鋼/鋁異種材料接頭焊接技術研究進展[J].

鋼鐵研究學報， 2023， 35（8）：928-949.

[3]林琳，劉正陽，劉進波.鋁合金船未涂裝的空艙防腐處理[J].廣東造

船， 2023， 42（6）：90-93.

[4]CB/T 257-2001鋼質海船船體密性試驗方法[S].北京：國防科學技術工

業委員會， 2001.