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铝合金船舶设计及制造要点研究

2017-12-19梁剑平

中国水运 2017年11期
关键词:制造铝合金船舶

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):25-28endprint

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