鋁合金應用于造船業已有近百年的歷史， 隨著國內外造船業突飛猛進地發展， 船舶的輕量化越來越被重視， 由于鋁的低密度、高強度、高剛性和耐腐性，船舶設計者使用鋁建造的船舶和使用鋼材或其它合成材料建造的船舶相比重量減輕了15-20%。鋁合金的高韌性、抗腐蝕性以及可焊性為建造對重量要求嚴格的船型提供了很好的選擇，由于鋁的加工成本較低，因此使用鋁材制造船舶更具經濟性。鋁合金可以作為板材，也可以進行擠壓成型加工和鑄造加工。再加上鋁合金突出的物理特性，使得用鋁合金制造船舶十分具有經濟性。從船舶設計者角度來看，使用鋁合金制造的船舶可以達到更高的速度以及更長的使用壽命，鋁合金的這些優點，使其在船舶的應用上發展得很快， 造船業為鋁材提供了廣闊的應用市場。

    第一章  鋁合金在國內外艦船中的應用現狀

    艦船上應用的鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金變形鋁合金在各國造船中的應用，從大型水面艦船上層建筑，上千噸的全鋁海洋研究船、遠洋商船和客船的建造，到水翼艇、氣墊船、旅客渡船、雙體客船、交通艇、登陸艇等各類高速客船和軍用快艇上都大量使用了變形鋁合金。鑄造鋁合金主要用于泵、活塞、舾裝件及雨水雷殼體等部件。

    1.1航空母艦

    航母是個龐然大物。它體積巨大，建造精良，是一個機動性很強的作戰平臺，對減清結構重量等具有及其迫切的需求，隱刺控制航母結構的重量非常重要，其中包括控制航母各種裝置，特別是上層建筑的重量，最改善航母的戰術技術性能至關重要。

    初步統計，國外每艘航母鋁合金材料用量大約在1000噸左右，例如，美國“獨立”號（CVA62）航母用了1019噸鋁合金；“企業”號核動力航母（CVA65）用了450噸鋁合金；法國“福熙”號（R99）及“克里蒙梭”號（R98）航母上都用了1000多噸鋁合金。鋁合金在航母上的應用對減輕航母結構重量，提高穩性、適航性、提高戰技性能等具有重要意義。

    鋁合金在航母上的應用部位，從部分起飛和降落甲板，巨大的升降機，大量管系，到舷窗蓋，吊燈架，門，艙室隔壁，艙室裝飾，家具，廚房設備和部分輔機等。列如美國海軍1961年服役的“企業”號航空母艦的四個巨大的升降機是用鋁-鎂合金焊接而成的。

    1.2驅逐艦等大型水面艦船上層建筑

    驅逐艦等大型水面艦船為了減輕上層建筑的重量，以保持穩性等，而廣泛采用鋁合金結構。事實上在許多驅逐艦等大型水面艦船中，主甲板上的全部結構都是用鋁合金制造的。據統計，美國海軍不同級的驅逐艦，在甲板以上結構中所用的鋁合金數量分別如下：護航驅逐艦（DE）用鋁量251.33噸；導彈驅逐艦（DLG）用鋁量811.30噸；彈道導彈驅逐艦（DDG）用鋁量515.88噸；彈道導彈核動力驅逐艦（DLGN）用鋁量為930.35噸。

    1.3快艇及高速船

    對于快艇艇體材料和高速船船體材料，一般要求在保證足夠的強度和剛度的條件下，盡量減輕重量，并要求材料具有良好的耐海水腐蝕性能和可焊性。例如美國從300多噸的大型反潛水翼研究船，200多噸的炮艇及導彈水翼艇，到PTF級快艇，LCM8登陸艇等，大多采用鋁-鎂合金焊接結構。

    1.3.1水翼艇

    早些時期美國海軍建造的五艘導彈水翼艇巡邏艇，稱為“Pegasus”號的原型已于1974年11月下水。在這條潛艇的殼體，內部艙壁和甲板的板材和防擾材中，金屬惰性氣體保護焊縫的長度超過兩英里。在建造時用一臺牽引型的線焊機對鋁板進行焊接。制成了大的平面分段。防擾材進行定位焊再進行手工焊。為了制作工序更有效。設計一種由計算機控制的自動焊操作臺。

    “MarkII”號水翼艇是70噸的水翼巡邏炮艇PGH-1是1968年下水的。在美國海軍和海岸警衛隊中使用。選用5456合金作艇體材料。因為它具有最高的焊接接頭強度性能。-H116和-117狀態用于板材。-H111狀態用于擠壓件。選擇具有較高抗裂性的5356合金焊絲用于焊接，建造時的焊接工藝為金屬惰性氣體保護的脈沖電弧焊和射流電弧焊以及鎢極惰性氣體保護焊。

    播音公司已建造了很多航速為43節的100噸級水翼艇，這些根據美國海軍水翼艇的設計演變出來的民用艇為噴翼型。殼體和上層建筑全部是焊鋁結構，采用5456-H116或-H117合金。焊接檢驗很嚴格，對全部焊縫進行X射線，超聲波檢驗和著色檢驗。在著色前要對檢查部位作侵蝕處理，以除去污物。

    蘇聯是世界上成批生產水翼艇的領先國家，已制造了幾百艘水翼艇并投入運營，還出口許多艘。

    我國用5A01合金板材、型材、鍛件和焊絲建造了“飛魚”號水翼艇，建造中采用了半自動化融化極脈沖氬弧焊和鋼制回轉胎架-拉馬設備。

    1.3.2氣墊船

    鋁合金在氣墊船應用中值得一提的是1976年由Rohr工業公司承保的一項設計美國海軍3000噸、80節表面效應船“3KSES”的合同。該船為全焊鋁結構。在選材時，可能選用5456-H116或-H117，也有可能焊件選用強度較高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件選用高強度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。這兩種合金是在宇航領域的應用中綜合性能較好的合金，能否在海洋環境中長期使用是一個問題。當時美國新研制的CS19（鎂含量高達8.7%左右）也有潛在的可能。因為其焊接接頭的典型屈服強度達到23公斤/mm2，而常用的5456合金一般為15~17公斤/mm2。該船是噸位最大的全焊鋁殼船。選材當然及其慎重。5456-H116或-H117合金終于因機械性能、耐蝕性及成本三方面的優點而被評為用于主殼體結構的最佳材料。選用5456-H112合金作為擠壓件，因為其比強度比5086-H112大19%，-H112狀態合金的組織中沒有會使合金在海洋環境中出現剝落蝕敏感性的β相晶界連續網絡。

    前些年，報道了西班牙海軍建造的36噸氣墊船原型用于試驗和鑒定的情況。它是用鉚接方法建造的。蘇聯用Amr-61合金建造了“火焰”號氣墊船。

    英國建造了全焊的氣墊船Apl-88。是當時鋁殼氣墊船的最新發展。殼體采用Al-4.5Mg的N8合金，型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。采用深I型材和長而寬的大型擠壓件以避免橫向焊縫和減小臨近焊件的熱影響。去年3月加拿大海岸警衛隊向英國氣墊船公司訂購了一批Apl-88。

    前些年設計的氣墊船與早期相比有很大變化，包括使用冷柴油機取代燃氣輪機和用焊接的鋁結構取代較復雜的玻璃鋼。Apl-88和“虎”級氣墊船就具有這些設計特征。最新的“虎-40”于1986年4月開始設計，同年12月開始試航。該艇總長17.25米，總寬7.625米，高5.375米。除用作客船外，還可用作內河和海岸巡邏艇以及工作艇等。

    七十年代至八十年代，我國用7A19合金、5A30合金等建造了全升氣墊船和側壁式氣墊船，無論是全墊升還是側壁式氣墊船所用的鋁合金板材厚度都較薄，一般為1-3mm。此外還用了許多規格的型材。由于板材較薄，多數鋁質氣墊船采用的是鉚接鏈接，但也有全焊接氣墊船。

    1.3.3雙體船

    英國麥克泰公司為英國海軍設計建造了第一批裝有升降舵的鋁殼雙體船。這些船有很多引人注目的特點：寬闊而穩定的甲板；極低航速時良好的機動性；良好的航向穩定性；阻力小。

    法國梅泰羅工業系統已完成一種軍用多用途鋁殼雙體船的設計，總長25米，寬10米，吃水0.7-1米，空船重45噸，載重量18噸，主機為兩臺1200馬力柴油機，噴水推進，最大航速30節。

    在挪威和瑞典，用鋁合金建造雙體船很盛行，如挪威設計的10艘高速雙體船全部采用對稱船體，沒搜載客449人，分別以32節和24節的航速橫渡海峽。

    日本用鋁合金建造的“Marineshuttle”號小水線面雙體船長41米，航速34節，是一艘280個客位的非對稱船型高速雙體客船。

    我國國內航線中使用了不少雙體船，其中有進口的，也有國內自行建造的。

    1.3.4地效翼船

    地效翼船是介于船舶與飛機之間，利用類似機翼的表面效應生產的氣動升力，支撐艇重離開水面低飛，偶爾能浮水航行的高技術新型艦船。地效翼船的航速高最快可達300多節，而且航行性好，具有良好的兩棲性，能在水上、路上起降，在波浪上方低空飛行，受干擾少，又比較安全。而且跨越沼澤、冰層、雷區、障礙物，可廣泛用于軍事行動。是快速登錄的必備艦型，長與航母，兩棲攻擊艦配套，在登錄作戰中極具突然性。此外，地效翼船的經濟性好（油耗比常規飛機低30%以上）。比之飛機安全的多，造價也相對便宜，在經濟和軍事兩方面都會產生巨大效益。

    地效翼船要求艇體采用鋁合金材料，并且要求用焊接結構（在俄羅斯較大噸位地效翼船的船體主要使用了可焊接的鋁合金材料）。而且要求艇體材料屈服強度大于300Mpa，抗拉強度達到400Mpa，同時要求材料具有良好的成型工藝性，良好的耐腐蝕性能等綜合性能。

    1.4  鋁合金在其他船型上的應用

    1.4.1  工作船

    鋁制工作船要求的維護較少， 使用時間更長、行駛速度更快； 毫無疑問， 捕魚船或任何其它海洋業有必要做這種投資。

    經驗表明， 任何一種鋁質小型船只都可以使用數十年， 而不會遭受任何明顯的腐蝕。這種船只的退役通常是出自技術過時的緣故， 而非鋁結構的老化。總的說來， 5000 和 6000 系鋁- 鎂合金優異的耐海洋性氣候， 特別是耐海水浸蝕性能現已得到大家認可。

    1.4.2  LNG（液化天然氣）貨船

    LNG（ 液化天然氣） 可代替石油作能源， 在石油發生危機時， 對它的需要將變得更迫切。LNG 是把天然氣在低于- 162℃的低溫下液化而成的， 因此在LNG 的貯藏和運輸中需要低溫性能好的金屬。一般使用鋁合金、鎳鋼和不銹鋼， 而鋁合金具有良好的耐海水腐蝕性能， 因而都傾向使用重量輕和焊接性能好的鋁合金。建造 LNG 貨船主要有兩大技術： 隔板（ 膜片） 或Moss- Rosenberg。Moss-Rosenberg 型船只的特征是有較大的球形儲罐（ 每只船至少 5 個）， 它們是由較寬的鋁鎂合金板材制成的， 采用一種特殊的高電流氣態金屬焊接工藝將其焊接在一起。

    1.5 鋁合金在船舶應用方面的前景

    對于作為交通工具的船舶來說， 提高速度是其改進和發展的主要技術指標之一。目前， 在各種交通運輸工具中， 船舶運輸的速度發展最慢， 而提高其速度的最有效方法一是減輕船重， 二是采用減小水阻力方法， 這兩種方法的有機結合， 使得鋁合金高速船艇正在飛速發展中。我國水運條件十分優越， 海岸線總長約 1 萬 8千多公里， 內河航道 1 千余條， 隨著經濟和貿易的迅速發展， 必將需要大量的船舶。因此， 開發鋁合金船具有重要戰略意義。

    第二章  船舶用鋁合金的選材原則與優勢

    2.1高的比強度和比模量

    材料的屈服強度和彈性模量是進行船舶結構強度計算，確定結構尺寸的最基本參數。由于各種鋁合金的彈性模量和密度都大體相同，而添加少量合金元素或改變熱處理狀態對它們的影響甚微，因此在一定范圍內提高屈服強度對減輕艦船結構重量有利，一般鋁合金的密度為2.7~2.8/cm3左右，彈性模量為70~73GPa左右。但高強度鋁合金通常很難同時具有優良的耐蝕性和可焊性，因此艦船用鋁合金一般選用具有中等強度和耐蝕可焊鋁合金，此外鑄造鋁合金在艦船領域也有一定的應用。

    2.2優良的焊接性能

    對于艦船而言，采用焊接連接比采用鉚接連接具有明顯的優點，因此焊接連接方法已在造船中廣泛使用，基本上取代了鉚接結構，目前在鋁船建造中主要使用自動氬弧焊接方法。鋁合金具有良好的可焊接性意味著鋁合金在焊接時形成的裂紋的趨向要小，即鋁合金具有良好的焊接抗裂性，而且焊后焊接接頭性能變化不大。因為在造船的條件下不能通過重新熱處理的方法恢復因焊接而失去的性能，所以這是船用鋁合金有別于其它結構用鋁合金的重要特點之一。AL-Zn-Mg系和AL-Mg-Si系合金焊后強度明顯降低，AL-Zn-Mg系合金焊后耐蝕性也差，因此該兩系合金在作為焊接船用材料時受到一定的限制。而AL-Mg系合金無此弊端。AL-Zn-Mg系合金主要用于焊后可熱處理的構件（如魚雷殼體），AL-Mg-Si系合金主要用作型材。

    2.3優良的耐蝕性能

    艦船結構多在苛刻的海水介質和海洋環境中使用，因此鋁合金是否耐腐蝕是決定其可否作為船用鋁合金的主要標志之一。一般要求船用鋁合金基體和焊接接頭在海水和海洋環境中無應力腐蝕、剝落腐蝕和晶間腐蝕傾向；要盡量避免接觸腐蝕、縫隙腐蝕和海生物附著腐蝕；允許有較小的均勻腐蝕和點腐蝕。

    2.4良好的冷、熱成型性能

    艦船在建造過程中要經受冷加工（如折邊、卷邊、輥彎、沖壓等）和熱加工（如熱彎、火工矯形等）。所以要求船用鋁合金易于加工成型，加工時不產生裂紋等缺陷，加工后仍能滿足強度、耐蝕性等性能要求。

    2.5 鋁合金在船舶應用方面的優勢

    鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點， 用于船舶，中具有如下優點：

    （1） 由于其比重小， 因而可減輕船重， 可減小發動機單機容量， 可增加速度；可減少燃料耗費， 節約燃油； 可以改善船的長寬比， 增加穩定性， 使船易于操縱； 還可以增加載重量， 獲得額外利潤。

    （2） 由于抗腐蝕性能好， 能減少涂油等維修費用， 可延長使用年限（通常在 20 年以上）。

    （3） 加工成形性能好， 易于進行切割、沖壓、冷彎、成形和切削等各種形式的加工， 適合船體的流線化； 可擠壓出大型寬幅薄壁型材， 減少焊縫數和使船體結構合理化和輕量化。

    （4）焊接性能好， 能較容易地進行焊接。

    （5） 彈性模量小， 吸收沖擊應力的能力大， 有較大的安全性。

    （6）鋁廢料容易回收， 可以循環使用。

    （7）無低溫脆性， 最適合做低溫設備。

    （8） 由于非磁性， 羅盤不受影響； 全鋁船可以避免水雷攻擊， 適合作掃雷艇。

    （9） 沒有蟲害和干燥變形； 不燃燒， 遇火災較安全。

    第三章 船用鋁合金的種類、特性、用途等

    船用鋁合金按制造工藝的不同可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，由于船用鋁合金對強度、耐腐蝕性、可焊接性等有特殊的要求，所以船用鋁合金多選用鋁-鎂系合金、鋁-鎂-硅系合金和鋁-鋅-鎂系合金，其中鋁-鎂系合金在艦船上應用最廣泛，按公司產品生產情況，下面主要對船用變形鋁合金做重點介紹。

    3.1船用鋁合金的特性、用途和化學成分

    船舶用鋁合金按用途可分為船體結構用鋁合金、舾裝用鋁合金，船殼體結構上用的鋁合金主要是5083、5086和5456這三種合金，6000系合金由于在海水中會發生晶間腐蝕，所以主要用于船舶的上部結構，舾裝鋁合金主要用的是擠壓型材，7000系合金熱處理后的強度和工藝性能比5000系合金還要優越，在船舶制造中的應用前景廣闊，主要用于艦艇上層結構，如壓擠結構、裝甲板等，但是7000合金的缺點是抗應力腐蝕性能差，所以限制了該系合金的使用范圍。

    表一 船用鋁合金的特性、用途、化學成分

類別	合金	狀態	化學成分（JIS標準）	特點	用途
船  體  用	5052	O H14 H34	鋁 Al ：余量  硅 Si： ≤0.25 銅 Cu ：≤0.10鎂 Mg：2.2~2.8 鋅 Zn：≤0.10 錳 Mn：≤0.10 鉻 Cr：0.15～0.35鐵 Fe：≤0.40	中等強度，耐腐蝕性和成形性好，有較高的疲勞強度	上部結構，輔助構件，小船船體
	5083	O H32	鋁 Al ：余量 硅 Si ：≤0.40 銅Cu：≤0.10 鎂 Mg：4.0～4.9 鋅Zn：≤0.25錳Mn：0.40～1.0鈦Ti：≤0.15 鉻Cr：0.05～0.25鐵Fe：0～ 0.400	典型的焊接用鋁合金，在非熱處理合金中強度最高，焊接性，耐腐蝕性和低溫性能好	船體主要結構
	5086	H32 H34	鋁Al：余量  硅 Si ：≤0.40 銅Cu：≤0.10鎂 Mg：3.5～4.5 鋅Zn：≤0.25錳Mn：0.20～0.7鈦Ti：≤0.15 鉻Cr：0.05～0.25;鐵Fe：0～ 0.500	焊接性和耐腐蝕性與5083相同，強度稍低擠出性有所改善。	船體主要結構（薄壁寬幅擠壓型材）
	5454	H32 H34	鋁Al：余量硅   Si ：≤0.25 銅Cu：≤0.10 鎂Mg：2.4～3.0 鋅Zn：≤0.25錳Mn：0.50～1.0 鈦Ti：≤0.20 鉻Cr：0.05～0.20 鐵 Fe：0.000～ 0.400	強度比5052高22%，抗腐蝕性和焊接性好，成形性一般	船體結構，壓力容器，管道等
	5456	O H321	鋁Al：余量 硅Si：≤0.50 　　銅Cu：3.8～4.9鎂Mg:1.2～1.8 鋅Zn：≤0.30錳Mn：0.30～0.9 鈦Ti：≤0.15 鎳 Ni：≤0.10 　鐵 Fe： 0.000～ 0.500 鐵+鎳 Fe+Ni：0.000～ 0.500	類似5083，但強度稍高，有應力腐蝕敏感性	船體和甲板
	6061	T4 T6	銅Cu :0.15～0.4  錳Mn :0.15 鎂Mg :0.8～1.2  鋅Zn :0.25 鉻Cr :0.04～0.35鈦Ti :0.15 硅Si :0.4～0.8    鐵Fe :0.7 鋁Al :余量	熱處理可強化的耐蝕合金，強度高，但焊接縫強度低，主要用于不與海水接觸的螺接、鉚接結構。	上部結構、隔板結構、框架等。
舾裝用	1050     1200	H112O H12 H24	鋁 Al ：余量  硅 Si： ≤0.25 鐵 Fe：0.40     銅 Cu ：≤0.50 錳Mn：≤0.50 鎂 Mg：≤0.50 鋅 Zn：≤0.15 鈦Ti ：≤0.03	強度低，加工性，焊接性和耐腐蝕性好，表面處理性高	內裝修
			銅 Cu ：≤0.50錳Mn：≤0.50 鋅 Zn：≤0.15 鈦Ti ：≤0.03 鐵+硅 Fe+Si：≤1.0
	3003   3203	H112O H12	鋁 Al ：余量  硅 Si： ≤0.60 鐵 Fe：≤0.70   銅 Cu ：≤0.50 錳Mn：1.0~1.5 鋅 Zn：≤0.10 （3202）	強度比1100高10%，成形性，焊接性，和耐腐蝕性好	內裝，液化石油氣罐的頂板和側板

    3.2 船用鋁合金的種類及用途示例

    船用鋁合金按產品種類可分為，板材、型材、管、棒、鍛件、鑄件，公司目前鋁合金產品種類主要是板材和帶材。

    表二  船用鋁合金產品種類

    注：1、舾裝也使用5052合金，品種有板、管和棒

    2、5083、5086和6N01合金可生產出寬幅薄壁擠壓型材

    3、板材的使用厚度是由船體結構、船舶規格和使用部位等所決定，從船體輕量化角度考慮，一般盡量采用薄板，但還應考慮在使用時間內板材腐蝕的深度，通常使用的板材有1.6mm以上的薄板和30mm以上的厚板。為減少焊接，常使用2.0m寬的鋁板，大型船則使用2.5m寬的鋁板，長度一般是6m,也有按造船廠合同使用一些特殊規格的板材。為防滑，甲板采用花紋板。

    表三 船用鋁合金的用途示例

    3.3船用鋁合金的狀態

    鋁合金的狀態標志著材料的加工方法，內部組織和機械性能，一般工程師根據用途不同而采用不同狀態的材料，船體結構用的5000系合金采用O和H狀態，6000系合金采用T狀態，按日本的JIS標準規定列出的5000系合金的H狀態細目和6000系合金和AC系鑄造合金的狀態代號如下表所示。

    表四 船體結構用5000系合金H狀態代號的細目

    表五 船用6000系合金和AC系鑄造合金的狀態代號

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責任編輯：王元

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