铝合金船舶设计及制造要点研究

    梁剑平

    摘 要：文章以14m铝合金快艇为例，通过船用铝合金选材及工艺要求，设计铝合金船舶的相关性能，并重点就铝合金船舶的焊接进行了重点讨论，经试航，达到了设计要求，具有很好的市场应用前景。

    关键词：铝合金；船舶；设计；制造

    中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）11-0036-02

    铝元素含量丰富，仅次于氧和硅，位列地球中元素含量的第三位。在金属制品中，铝制品是位居铁之后的第二大使用量的金属。金属铝及其合金制品具有耐腐蚀性、无磁性、较高比强度以及导热性好等特点，尤其是铝合金质量轻，载重量大，被广泛应用于航空航天、机械制造、船舶工业以及汽车制造等领域。1891年，瑞士首先用铝材建造了世界上第一艘铝制小船，1954年，日本用全铝材建造了巡视艇。近年来，随着高端铝合金船艇的大量建造，我国的客运交通、休闲旅游、公务执法等领域对于铝合金船艇的市场需求量不断增加，也给造船企业带来了很好的发展机遇。用铝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广泛应用。但与其他钢质舰艇不同的是，铝合金高速艇的设计要求高、工艺材料、焊接、切割等有着特殊要求，因此，熟练掌握铝合金高速快速快艇的设计及制造工艺，对于提升船舶设计及建造水平具有积极的现实意义。

    1 船用铝合金的选材及工艺要求

    1.1 船用铝合金选材

    1970年以来DNV的《高速轻型艇规范》认证设计和要求，铝合金已经广泛应用于船舶的制造当中，常见铝及其金属制品是银白色的轻金属，铝合金命名常采取的是四位数字体系牌号（见表1）。

    应用于船舶的铝合金金属主要是Al-Mg体系中的5083号和6082号，它们与传统的碳素钢相比，在密度、熔点、导热率、屈服应力、凝固时体积收缩率、拉伸率和抗拉强度等物理特性方面差距较大。在铝合金船舶设计的选材过程中，重点需要考虑的船舶的结构受载荷和腐蚀环境等因素。

    基于DNV认证的5000系列中不同牌号及其回火条件，以及力學性能的差异，和6000系列及其热处理条件对应的力学性能的不同，例如6005A和6061铝合金在船舶设计应用中应做好油漆岗湖或被阳极化防护，否则是不能够直接与海水接触。总之，在铝合金船舶设计过程中具有较大的材料选择应用空间。

    以14m铝合金船舶设计为例，考虑船舶的设计体积长度比对阻尼影响大这一特点，因此，尽量减轻船舶重量对于排水量快艇的适航影响较大。因此，应尽量选择使用轻型设备，如铝合金作为船体和甲板室的材料，在耐磨性、抗撞击性等方面铝合金选材都具有较大优势。

    1.2 铝合金船舶工艺要求

    铝合金船舶的焊接是其建造的重点和难点，实际建造时应采用变形小、效率高的焊接设备，其中常用的焊接工艺有熔化极自动/半自动氩弧焊MIG，钨极自动氩弧焊TIG等，总之，要求船舶建造人员要熟练掌握焊接工艺及其试验条件。此外，船舶建造企业要做好场地、设备等配备工作，以及铝材切割、下料和余量修正方面都要预先准备好各种设备。

    2 铝合金船舶性能设计

    2.1 总体布局

    考虑铝合金快艇的现实应用，在总体布局方面通常会在主甲板之上设计一个单层的甲板室，提高铝合金船舶的稳定性和安全性，减小上层建筑的投影面积，增强船舶在风浪环境下航行的适航性能。主甲板之下设计有艏尖舱、清水箱（最底层）、工作间、燃油箱和机舱（船艉部）等。按照《内河高速船入级与建造规范（2012）》对B级航区、J2级航段船舶的要求进行布局设计，主体采用纵骨架模式，船体及甲板采用5083铝合金，型材采用的是6082铝合金。

    2.2 推进方式

    考虑船舶航速设计的实际要求，选择主机功率的大小。常用的船舶推进方式由螺旋桨和喷水动力推进两种方式，其中，前者因吃水较小限制了大直径螺旋桨的应用，降低了推进效率，此外，考虑14m铝合金船舶设计尺度属于较小范围，线型处理难度较大，轴系及机舱布置较难，因此，选择喷水推进的方式。14m铝合金船舶的喷水推进模式，适合于较浅的吃水，操作简便，通过喷嘴角度的调整，实现船舶航行时就地调头或侧移，运行操作十分简便。

    2.3 线型设计

    14m铝合金船舶较小，为了改善高速航行时的适航性能，建议线型设计时，船舶的艏部采用圆舭线型，船舶的尾部采用折角线型，以此来增大船舶的横摇阻尼，减小船舶横摇的角度。

    2.4 快速性

    在船舶应用适航条件中，风力不超过蒲氏2级，100%的主机功率，船壳清洁，充分考虑船舶满载设计吃水。在静深水水域状态下，单船的自由试航速度为34km/h。

    3 铝合金船舶焊接及工艺参数

    铝合金船舶的易氧化性、低熔点、线性膨胀系数大等特点，增加了船舶建造过程中的焊接难度。目前，常用到的焊接技术主要有TIG焊、MIG焊等，并包含有自动、半自动和手工焊接等模式，在实际应用中利用各种焊接模式的优势做到互为补充。例如，TIG钨极焊通常应用于自动和手工焊，MIG氩弧焊则常应用于半自动焊（见表2）。目前，铝合金船舶制造中最长使用的焊接方式是MIG焊，具有去膜和熔敷效率高，氩气成本较低作为保护气体等优势。

    铝合金高速船的建造通常需要满足一定的设计航速，例如该14m铝合金船舶的设计航速为34km/h，为达到这一航速，在船体线型和主机功率不变的情况下，控船的重量将会直接影响航速及其油耗。铝合金船舶焊接时应尽可能采用间断焊，有效控制焊接变形等问题。①焊脚高度除满足规范要求外，角焊缝焊脚≥3mm，间断焊缝焊脚≤7mm，连续长度一般≥15被板厚或75mm。型材端部包角长度应为型材高度。铝合金船舶的船舷侧防撞护舷材对应的船壳内纵骨、长时间附着冷凝水区域、角隅圆弧和斜切角、上建舱壁对应甲板下骨材等都要采取双面连续焊。②做好铝合金船舶焊接变形控制以及变形后的矫正措施。例如，通过控制焊接顺序、预留出反变形余量等做好变形控制；通过焊接、冷加工以及水火等控制措施做好变形矫正。

    4 结语

    与钢制船舶相比，铝合金船舶的设计广泛应用于高速船、公务船、游艇等领域，其设计和工艺要求具有鲜明特点，在规范要求、焊接设计和焊接工艺方面比钢制船舶要求更加严格，这对船舶的设计和建造提出了更高要求。尤其要重点做好铝合金选材以及焊缝设计，控制焊接变形，并做好航行、系泊等试验，达到预期建造目标后交付使用。

    参考文献：

    [1]文孟轶.铝合金高速船建造特点[J]中国水运，2014（8）：62-63

    [2]陈锋.铝合金船艇制造的要点和工法[J]船舶标准化与工程师，2015（1）：25-28