鋁合金船舶的建造工藝研究

李克超

（招商局郵輪制造有限公司，南通 226100）

鋁合金廣泛應用于航空航天、汽車制造以及船舶制造等領域[1]。在動力不變的情況下，鋁合金的質輕特點能夠使船舶的速度更快。鋁合金船舶的建造工藝不同于一般鋼質船，在下料切割和焊接等方面有著特殊要求。因此，分析鋁合金船舶的建造難點，并以主船體為鋼質結構、上層建筑為鋁合金的船舶為例，介紹鋼-鋁混合船舶的建造階段劃分，重點分析上層建筑的建造工藝及主船體與上層建筑之間的焊接工藝，對提高鋁合金船舶的建造水平、促進水面艦艇以及漁政船的發展有著積極意義。

1 鋁合金船舶的建造難點

鋁合金低密度的特性使得等動力條件下鋁合金船舶的速度比普通鋼質船高，但其熔點低、易氧化以及高溫下強度低等特性，給鋁合金船舶建造過程帶來了很多困難。

1.1 下料難點

鋁材下料是鋁合金船舶建造過程中的一大難點。一般材料的切割方法包含火焰切割、等離子切割和數控切割等。由于鋁合金的易氧化特性，鋁材下料時不能采用火焰切割法。等離子切割法主要使用空氣等離子切割，因為空氣中含氧氣，鋁合金容易被氧化形成氧化膜，造成切口錯位，所以等離子切割法不適于鋁合金的切割。鋁合金下料中，直線部分可以采用數控剪板機，而曲線部分可以采用手工鋸等方法。

1.2 焊接難點

鋁合金船舶建造過程中的焊接是需要重點關注的問題。鋁合金的焊接難點多由其物理特性引起的，對技巧和方法的要求很高。例如，選擇鋁合金焊接的保護氣體時，如果保護氣體很容易溶解在液態鋁合金中，那么鋁合金會因大量保護氣體無法排出而產生氣孔。此外，鋁合金的線膨脹系數大，導致鋁合金在焊接過程中會產生較大的變形。鋁合金熔化后不會產生明顯的顏色變化，很容易被焊穿。

2 鋼-鋁混合船舶的建造階段劃分

一些水面艦艇和漁政船的上層建筑會采用鋁合金。這種鋼-鋁混合船舶的建造一般是主船體和上層建筑分開建造，最后進行合攏。上層建筑為鋁合金材質的鋼-鋁混合船舶，建造過程如圖1所示，包括鋁材預處理、零件加工、分段建造及分段總組階段。其中，鋁材預處理是鋁合金上層建筑建造的第一階段，包括對鋁合金材料的變形矯正及除銹；零件加工階段包括零件的劃線、切割和彎曲成形；分段建造階段包括分段裝配和分段焊接；分段總組階段包括總組胎架的確定及總組焊接。鋼-鋁混合船舶的主船體和上層建筑分別建造完成后，再進行總裝合攏。

圖1 鋼-鋁混合船舶建造過程

3 鋁合金上層建筑建造工藝研究

鋼-鋁混合船舶的上層建筑部分采用鋁合金材質，其建造工藝和主船體部分有很大差別。結合上層建筑建造過程，其建造工藝可分為以下階段。

3.1 鋁材預處理階段的工藝研究

鋁材預處理包括鋁材的矯正變形及除銹。其中，鋁合金材料除銹是指除去表面的氧化膜。對于表面油污很多的鋁合金材料，除銹前應該先去除油污。對于表面油污不多的鋁合金材料，可以同時進行除油污和除銹。鋁合金材料除油污可以采用熱水處理或者木屑吸附的方式，除銹可以采用堿性溶液洗除的方式。

3.2 零件加工階段的工藝研究

零件加工階段主要包括劃線、零件切割和彎曲成形3個方面。

3.2.1 劃線

鋁合金的劃線可以采用軟鉛筆或彩色記號筆。劃線的介質不能有腐蝕性，否則會侵蝕鋁合金表面。

3.2.2 零件切割

鋁合金零件切割直線部分可以采用數控剪板機，曲線部分可以采用手工鋸等方法。

3.2.3 彎曲成形

在鋁合金彎曲成形的過程中，斷裂現象時有發生，一些中等強度的鋁合金斷裂現象尤為嚴重。為防止中等強度鋁合金在彎曲成形過程中發生斷裂，可以采取增加折邊模具的彎曲半徑或保證模具表面光滑等措施。

3.3 分段建造階段的工藝研究

鋁合金上層建筑分段建造過程要重點關注焊接變形，下面主要從裝配順序、裝配精度以及焊接順序等方面來闡述鋁合金上層建筑分段建造階段的變形控制。

3.3.1 裝配順序

找出分段的中心位置，從中間向兩邊依次裝配，能減少裝配誤差，保證裝配精度，從而起到控制焊接變形的作用。

3.3.2 裝配精度

鋁合金上層建筑分段裝配的精度要求比鋼質結構的主船體部分高。零件之間的裝配間隙應該嚴格控制在標準范圍內，如板縫間隙應小于1 mm，板縫的錯開度應小于0.5 mm。裝配時要防止各部分受熱變形，嚴格控制裝配間隙。裝配間隙越大，焊接變形會越大。

3.3.3 施焊順序

一般情況下，應先焊接收縮量大的焊縫后焊接收縮量小的焊縫，先焊接對接焊縫后焊接角焊縫。當遇到較長的焊縫時，可以采用退焊法[2]。此外，焊接和裝配一樣，應該先從中間開始，然后依次向兩邊焊接，從而減少焊接變形。焊接完成后，如果有微小變形，可以采用木槌敲擊的方法進行矯正。

3.3.4 焊接方法

傳統的方式是采用鎢極惰性氣體保護電弧焊（Tungsten Inert Gas，TIG）和熔化極惰性氣體保護電弧焊（Metal Inertia Gas，MIG）。然而，這兩種方法的原理都是熔焊，焊縫質量差[3]。因此，在鋁合金上層建筑建造過程中，為有效控制焊接變形，減少氣孔和裂紋，提高焊接質量，應采用攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊是1991年由英國焊接研究所提出的，能夠有效解決焊接變形大和氣孔多的問題[4]。

3.4 分段總組階段的工藝研究

分段總組應先確定總組胎架的結構形式，然后按施工工藝嚴格制作胎架，保證胎架的穩定性和線型的準確性。胎架的制作可分為正造和反造。一般而言，正造法對焊工焊接技能和操作熟練程度的要求比反造法要高。因此，對于鋁合金船舶建造經驗不豐富的造船企業，鋼-鋁混合船舶上層建筑的總組可以采用反造胎架。此外，需要考慮分段的總組順序和焊接順序。

4 主船體與上層建筑之間的焊接工藝研究

鋼-鋁混合船舶最大的技術難點是鋼質主船體與鋁合金上層建筑之間的連接。鋼質主船體與鋁合金上層建筑很難直接焊接在一起，生成的鐵鋁互化物很容易斷裂[5]。連接鋼質主船體和鋁合金上層建筑的傳統方式是鉚接。該方式制作過程復雜，且在使用過程中由于腐蝕或接頭松動等，可能導致船舶的密性和強度不夠。目前，鉚接方式已逐漸被鋼-鋁過渡接頭方式所取代。相比鉚接方式，鋼-鋁過渡接頭制作過程簡單，且具有防水和耐腐蝕的特點。鋼-鋁材料連接的方式如圖2所示，即采用鋼-鋁過渡接頭進行焊接。鋼-鋁過渡接頭是一種復合材料，由鋼（下表面）、鋁（中間層）及鋁合金（上表面）組成。

圖2 鋼-鋁過渡接頭連接鋼鋁材料的截面示意圖

這3種材料是通過爆炸合成的。圖2中，鋁合金材料和鋼-鋁過渡接頭中的上表面層通過角焊縫連接，鋼材和鋼-鋁過渡接頭中的下表面層通過角焊縫連接。采用爆炸方法合成的鋼-鋁過渡接頭是鋁合金上層建筑和鋼質主船體的焊接基礎，能夠有效提高鋼-鋁混合船舶的合攏效率，降低船舶建造周期，同時提高鋼鋁連接部位的耐腐蝕性和水密性。

圖2 遺傳參數設置及優化結果

5 結語

通過對鋼-鋁混合船舶的建造階段進行劃分，從劃線、切割、裝配以及焊接等方面對鋁合金船舶上層建筑各個建造階段的工藝進行研究分析，得出鋼-鋁混合船舶的建造難點主要是切割和焊接問題，并提出了解決方式，可為鋁合金在船舶中的應用提供更多的選擇性。此外，如何解決鋁合金的強度、成本問題，將成為鋁合金在船舶應用中的研究方向。