铝合金在造船工业中的应用

自从1891年铝合金材料在船舶上应用以来，经过百余年的研究和发展，铝合金在船舶上的应用越来越广泛，并成为造船工业很有发展前途的材料。最早应用于船舶上的铝合金为Al-Cu系合金，继而采用的是Al-Cu-Mg系合金，但这些合金的主要缺点是耐蚀性差，因而也限制了铝合金在造船工业中的应用。

20世纪30年代，开始采用6061-T6铝合金，并用铆接方法构造船体。20世纪40年代，开发出了可焊、耐蚀的Al-Mg系合金，20世纪50年代开始采用TIG焊技术，这一时期铝合金在造船上的应用进展很快，20世纪60年代，美国海军先后开发出了属于Al-Mg系合金的5086-H₃2和5456-H₃21合金板材、5086-H111和5456-H111合金挤压型材，通过采用TH116和H117调质状态，解决了剥落腐蚀和晶间腐蚀问题。随后，由于需要屈服强度更高的材料，于是，在造船工业中又广泛应用了耐海水腐蚀性能良好的Al-Mg-Si系合金，在较长的一段时间内，船体用铝合金主要在Al-Mg系合金和Al-Mg-Si系合金中选择，而苏联则较多地选择Al-Cu-Mg系合金用于造船，作为快艇壳体材料。近年来对中强可焊的Al-Zn-Mg系合金的研究日益增多，并取得了一些进展，有可能在未来的造船工业中得到应用和发展。

20世纪70年代到20世纪80年代以后，人们越来越重视船舶结构的合理化和轻量化，大型船舶的上层结构和舾装件开始大量使用铝合金。为此，这一时期开发出了许多上层结构和舾装用铝合金，其中，包括特种规格的挤压型材、大型宽幅挤压壁板和铸件等。

船舶用铝合金按用途可分为船体结构用铝合金、舾装用铝合金和焊接添加用铝合金，其日本工业技术JIS标准规定的化学成分见表6-6，表6-7所示为船体和舾装用铝合金的特性及在船舶上的应用实例。

表6-6 JIS标准规定的化学成分

注：1.5454、5456和6082合金的化学成分为国际标准规定的。

2.1200和3203合金中Cu含量变为0.05％～0.20％（质量分数）时，即为1100和3003合金。

3.AC4A和AC4C合金中，Ni和Pb在0.10％（质量分数）以下，Sn在0.05％（质量分数）以下

AC4CH和AC7A合金中，Ni，Pb，Sn都在0.05％（质量分数）以下。

4.舾装用铝合金还包括5052合金。

表6-7 船体和舾装用铝合金的特性及在船舶上的应用实例

目前，在船舶壳体结构上用的铝合金主要是5083、5086和5456这三种，它们的机械性能、耐蚀性和焊接性能都很好。挪威船协规定使用5454合金，其板材的抗拉强度与5086合金的相同，而美国则主要采用5456合金，最近在高速艇上使用的是5086-O合金板材和5086-Hlll合金挤压型材。

Al-Mg-Si系合金由于在海水中会发生晶间腐蚀，所以主要用于船舶的上部结构。日本就在船舶的上部结构中使用6N01-TS合金，美国在船壳体结构上使用6061-T6大型薄壁挤压型材。

各国船舶用铝合金的型号比较见表6-8。

表6-8 各国船舶用铝合金的型号比较

在舾装铝合金中，经阳极氧化处理的6063-T5合金挤压型材主要用于框架结构H14、H₂4状态的工业纯铝和3203合金等的板材主要用于舱室内壁等内装结构，铸造性能优良的AC4A和AC4C合金铸件主要用于舾装件。AC7A合金具有优异的耐蚀性，可望在船舶中应用，但它的铸造性能较差。至于锻件，一般来说成本很高，在船舶上的应用较少。

中等强度Al-Zn-Mg系合金热处理后的强度和工艺性能比Al-Mg系合金还优越，并且可焊和有一定的耐蚀性，对造船业有很大的吸引力。例如，舰艇的上层结构可以用7004合金，挤压结构可以用7004和7005合金，装甲板可以用7039合金，此外，还可以用该系合金制作涡轮、引导装置、容器的顶板和侧板等。但无铜的Al-Zn-Mg系合金的缺点是对应力腐蚀开裂较为敏感，而且焊接接缝对应力腐蚀开裂、剥落腐蚀也较为敏感，这是该系合金在海船应用方面必须优先解决的问题。

船用铝合金产品按板、型、管、棒、锻件和铸件的分类见表6-9

表6-9 船用铝合金产品分类

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板材的使用厚度是由船体结构、船舶规格和使用部位等所决定的，从船体轻量化角度考虑，一般尽量采用薄板，但还应考虑在使用时间内板材腐蚀的深度。通常使用的板材有厚度为1.6mm以上的薄板和30mm以上的厚板。为减少焊缝，常使用2.0m宽的铝板，大型船则使用2.5m宽的铝板，长度一般是6m，也有按造船厂合同使用一些特殊规格的板材。为防滑，甲板采用花纹板。

船舶上用的型材有以下几种：高40～300mm的对称圆头扁铝；高40～200mm的非对称圆头扁铝；厚3～8mm、宽7.5～250mm的扁铝；高70～400mm的同向圆头角铝高35～120mm的反向圆头角铝；尺寸为15mm×15mm～200mm×200mm的等边角铝尺寸为20mm×15mm～200×120mm的非等边角铝；凸缘尺寸为25mm×45mm，腹板尺寸为45mm×250mm的槽铝。

除上述的一些常规型材外，船舶上也使用一些特殊型材。船舶上还使用把加强筋与板材经过轧制（或挤压）形成一个整体壁板，它可以轧成平面形状或挤压成管状，管状可沿母线切开，然后拉成平面状。船舶上使用的整体挤压壁板同飞机上用的相比，筋高和筋间距大，宽12m、长4～6m，最长可达15m。采用整体壁板，可以调整外板和纵梁上的厚度，使应力分布最合理，从而得到合理的结构，减轻重量，减少焊缝数量和减小焊接后翘曲程度。

在船舶上，通常用小直径铝合金管材做管道，而大直径管材则用作船体、上层结构、桅杆上的各种构件、梁柱（中空圆筒柱、中空角形柱）等。常用的管材外径为16 ～150mm、管壁厚3～8mm。在对管路用管材进行厚度选择时，既要考虑强度，又要注意腐蚀介质的影响程度。棒材用直径12～100mm的5052、5056和5083合金棒。锻件和铸件在船舶上的用量相对较少，主要用作一些机器构件。

下面重点介绍铝合金在船体和舾装上的应用情况。

1.船体用铝合金

20世纪60年代，美国海军先后开发出属于Al-Mg系合金的5086H₃2和5456H₃2铝合金板材，及5086H111和5456H111铝合金挤压型材。随后，又研制开发了耐海水腐蚀性能良好的Al-Mg-Si系合金，及中强可焊的Al-Zn-Mg系合金。

目前，在船舶壳体结构上用的铝合金主要是5083、5086、5456这三种合金，它们的耐蚀性、力学性能和焊接性能都很好。1966～1971年美国建成14艘“阿希维尔”级高速炮艇，这是第一批全铝军舰，标准排水量225t，船长50.2m、宽7.2m，吃水2.9m主甲板和船底板为12.7mm厚的50862H₃2铝合金，型材用5086H112铝合金，全艇共用了71t铝材，全部用氩弧焊焊接。1981年美国波音公司船舶系统部门建造了6艘铝船体水翼导弹巡逻艇，艇长40m、宽8.6m，采用5456铝合金焊接结构。美国海军装备有一型航速高达42km的江海特种作战艇（SOCR），该艇艇体采用铝合金制造，艇长10.1m宽2.75m，高速行驶时吃水只有0.23m。俄罗斯在船体上使用较多的是Al-Cu-Mg系合金，作为快艇壳体材料。俄罗斯已有各种类型的铝合金高速艇船1000艘，得到了广泛应用。如图6-5所示的是铝合金双体高速快艇。

图6-5 铝合金双体高速快艇

我国于20世纪60年代以后形成舰船及装甲板用的铝合金系列，如6061、6063 7A19、4201和2103合金等。目前，我国船体结构上主要使用180合金。20世纪60年代初，我国用2A12铝合金做船体，也成批建造了水翼快艇；80年代，我国用180合金，采用焊接工艺建成了一艘全铝结构的海港工作艇“龙门”号，该艇长7m、宽2m。

近年来，由于能源短缺的加剧以及全球环保需求的日益高涨，舰船的轻量化使铝合金在实际应用中得到进一步的发展。表6-10是常见船体用铝合金牌号及主要力学性能。

铝船体建造有独特的工艺要求。当今，用焊接方法建造铝船，在工业发达国家已视为常规的生产方法，其特点有二：船体外板均采用Al-Mg系合金，且广泛采用整体壁板；多采用熔化极脉冲氩弧焊。与钢相比，铝的线胀系数较大，而弹性模量、热强度又较低，因此，铝构件的焊接变形明显大于钢的焊接变形；另外，铝表面有一层比铝的熔点高（高达2050℃）、密度大的氧化膜，容易在焊缝中产生夹渣与气孔。因此，建造铝船体的关键技术是如何控制船体的焊接变形及确保焊缝质量。

表6-10 常见船体用铝合金牌号及主要力学性能

2.船舾用铝合金

船舶内舾装主要包括甲板敷料、围壁材料、卫生设备、防火门窗、装饰、照明灯具、家具造型、五金配件等。表6-11列出了舾装用铝合金的力学性能。

表6-11 舾装用铝合金的力学性能

（续

挪威建造豪华客船“海王”号历时5年，为了减轻重量，大部分场合均采用了铝及铝合金。日本建造的“富士山”号豪华客船，同样使用了大量的铝及铝合金。