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1、铝合金在造船业中的应用与发展铝合金在造船业中的应用与发展技术与装备何梅琼/HeMeiqiong铝合金在造船业中的应用与发展Applicationsofaluminumalloysinshipbuilding概述 Summarize铝合金应用于造船业已有近百年的历史,随着国内外造船业突飞猛进地发展.船舶的轻量化越来越被重视,减轻船体自重,提高船速,寻求代替钢铁部件的铝合金材料,已成了铝加工工业和造船业面临的重要课题.用铝合金造船有许多优点,因而铝材在船舶上的应用发展得很快,造船业为铝材提供了广阔的应用市场船舶用铝合金的主要种类 Mainkinds0faluminumalloysusedinshi
2、psandboats船舶用铝合金产品按板,型材,管,棒,锻件和铸件的分类见表 1.表 1 船用铝合金的产品种类船舶用铝合金的性能 Propertiesofaluminumalloysusedinshipsandboat优点 excellence铝合金具有比重和弹性模量小,耐腐蚀,可焊接,易加工,无磁性和低温性能好等特点.用于船舶世界有色金属 2005 年第 11 期中具有如下优点:(1)由于其比重小,因而可减轻船重,可减小发动机单机容量,可增加速度;可减少燃料耗费,节约燃油;可以改善船的长宽比,增加稳定性,使船易于操纵;还可以增加载重量,获得额外利润.(2)由于抗腐蚀性能好,能减少涂油等维修费
3、用,可延长使用年限(通常在 20 年以上).(3)加工成形性能好,易于进行切割,冲压,冷弯,成形和切削等各种形式的加工,适合船体的流线化;可挤压出大型宽幅薄壁型材.减少焊缝数和使船体结构合理化和轻量化.(4)焊接性能好,能较容易地进行焊接.(5)弹性模量小,吸收冲击应力的能力大,有较大的安全性(6)铝废料容易回收.可以循环使用.(7)无低温脆性,最适合做低温设备.(8)由于非磁性,罗盘不受影响;全铝船可以避免水雷攻击,适合作扫雷艇.(9)没有虫害和干燥变形;不燃烧,遇火灾较安全.当铝合金用于海上船舶时,不论是哪个部位,都或多或少会与海水接触,或受到海水飞沫和海洋大气的侵袭,因而会受到一定的腐蚀
4、.下面就一些铝合金的耐腐蚀性能进行叙述.船用铝合金在海水中的耐蚀性能 Anticorrosionpropertyofaluminumalloysusedinshipsinseawater海水是一种典型的电解质溶液,铝合金在海水中的腐蚀过程,实际上是电化学腐蚀过程.铝合金在海水中的腐蚀主要为点蚀.船体结构用的 5000 系合金在海水中的腐蚀速度十分缓慢,尤其是低镁合金耐蚀性更好.6000 系船用合金在海洋气氛下具有充分的耐蚀性.因此.在船舶及码头中常常使用 5000 系和 6000 系合金.一26铸造铝合金的腐蚀性能 Corrosivepropertyofcastaluminumalloy铝合金
5、的腐蚀是一个很复杂的过程,既受环境影响,又与合金的性质有关.环境因素有温度,湿度,运行,搅拌,压力,腐蚀介质和杂散电流等;合金的性质因素有成分,组织或组织不均匀性,应力或应力不均匀性等.另外,电极电位不同的两种金属或合金互相接触时,也会发生腐蚀.表 2 列出了一些船舶用铝合金的电极电位.表 2 铝合金的电极电位(单位:v)铝合金电极电位0.87-0.86-0.85-0.840.83-0.83-0.825383 铝合金的优势 Advantageof5383aluminumalloy5383 合金可用于要求焊接牢固的铝构件(从船体到上层结构).5383 合金用作船上结构件时具有优良的耐腐蚀性能.就
6、小船(50m)而言,可使船材尺度得以改进,例如巡逻舰艇的结构重量的减轻,工作船的强度增强以及豪华游艇内部空间的增大在大船(50m)方面,可提高强度和疲劳抗力,可使巡逻舰艇上层结构进一步轻量化,在提高稳定性的同时不会影响强度或耐蚀性.5383 合金与 5083 合金相比,焊接强度提高15%;在相同的船材尺度下,可提高安全范围;在缩减或改善船材尺度时,可有效减轻重量;另外还具有较强的耐腐蚀性和较高的疲劳强度.对 5383 合金基体和焊接金属试样进行晶间腐蚀(IGC)和应力腐蚀(SCC)试验(酸性试验和 ASTMG44)以及 ASSET 试验,试验结果表明其抗腐蚀性能明显比标准的 5083 合金还要
7、好.加速时效(IO0C 下人工时效 7 天),自然暴露(海洋环境和浸泡)以及各种经历测试表明,5383 合金的长期耐腐蚀性能明显优于 5083 合金.应用 ApplicationsTechnologyEquipment铝合金在民用船上的应用 Applicationofaluminumalloytocivilships1891 年.瑞士的 EcherWyss 公司首次建造了一艘 8 人乘坐的湖上全铝汽艇;1892 年,法国建造了第一艘全铝汽艇;以后,其它国家相继建造了铝质船艇.但是,由于当时铝合金强度不大,耐腐蚀性能较差(A1 一 Cu 系合金),从而限制了在造船业中的应用.20 世纪 3040
8、 年代.冶金工业为造船业提供了抗蚀性能较好的 6061T6 合金和 AlMg 系合金,铝合金在造船上的应用又重新发展起来.1931 年英国建造了材料为 AlMg 系合金的”Diana”铝质游艇.1940 年,美国建造了第一艘全铝飞船,它外形是鱼雷形状.长 25m,最高时速可达 72km.1945 年日本建造了”阿拉卡塞”号全铝巡视艇.20 世纪 5060 年代.铝的 TIG 焊接技术得到了发展.美国又先后开发出 5086 一 H32 和 5456 一 H32铝合金板材,5086 一 H111 和 5456 一 H11l 铝合金型材.这一时期铝材在造船业上的应用发展较快,如水翼艇,邮船,渔船,油
9、船,驳船,拖船,渡轮,沼气运输船,游艇,客轮以及小型船艇都开始使用铝合金建造船体和上层结构.1958 年,我国首次建造了全铝铆接结构的水翼艇.接着许多国家也相继建造了铝合金船.20 世纪 7080 年代,随着铝材的开发,铝价的下降和 TIG,MIG 隋性气体保护焊接法的采用,以及船舶结构的合理化和轻量化越来越被重视,铝材在船舶上的应用发展得更陕,铝合金已成为在造船工业很有发展前途的材料.70 年代中期,相继建成了数艘 1213 万 m 大型铝合金 LNG(液化天然气)船,到目前为止全世界已有几十艘这样的船,每艘 LNG 船大约需要 28003100t5083 铝合金厚板,Moss 球形储罐使用
10、的板厚为 3060mm,环球中部达 170mm.20 世纪 80 年代以后,小型和中型铝合金游艇,客轮和高速船的发展很快,利用铝合金建造这些船的例子已不胜枚举.铝合金在军用舰艇上的应用 Applicationofalu-minumalloytowarships从造船学方面讲.结构的轻量化意味着速度更高,操作成本更低,操作灵敏 l 生更高,行程更远,维护少以及可用性更高,这些优势引起了各方的注意.一27 一 WORLDNONFERR0USMETALS2005.11嘶牝姗眠啡6技术与装备铝合金在高速飞艇上的军事应用已得到全世界的认同,该种飞艇常用于突击,搜索和营救以及后勤等任务.从 19 世纪 2
11、0 年代起,铝合金就广泛应用于军舰.1926 年,美国在军舰上大量应用铝合金.此后,美国,苏联,中国等国家在航空母舰,巡洋舰,驱逐舰,潜艇,鱼雷陕艇,巡逻艇,炮艇和登陆艇上应用铝合金的实例也屡见不鲜造船厂目前可以提供的铝制舰艇范围也较广.包括:巡逻艇和辅助性军事飞艇(海岸警卫队,海关,搜索和营救服务,渔业保护),快速攻击艇.甚至部队运输用的大型高速渡轮铝合金在船用码头上的应用 Applicationofaluminumalloytowharfage船用码头设备如跳板,浮桥和过道是由 6005A或 6060 铝合金型材焊接制成的,浮坞是由 5754 铝合金板焊接而成的不漏水厢体,结构或浮坞都不需
12、要作涂漆或化学处理.肋板方面木料和铝型材的结合形成一个完美无缺的整体,极好地与海岸景象融合在一起.第一个由铝合金制造的系船池于 1970 年在法国建成,经验表明,这些设备具有显着的机械阻力.由于所使用的 5000 系和 6000 合金具有优异的耐蚀性,因而不需要进行维护.铝合金在近海平台上的应用 Applicationofaluminumalloytoplatform铝及铝合金在近海平台建设方面的使用中表现出许多优势.由于铝合金的耐蚀性强,维护频率降低,使得维护成本大幅下降.这对于与之类似而又难以维护的近海桥梁的结构而言是十分重要的.除了节省维护成本外,还可降低原始成本:如运送成本更低,制作更
13、容易,安装更快捷.另外.金属铝具有特殊的比强度,意味着重量的大幅减少(是相同钢结构的50%一 70%).已证明,铝的耐用性很高,因此,铝合金常常比其它结构材料更耐用,可以在另一平台的建造中重复使用.此外,铝具有较高的剩余价值,可以回收铝合金在工作船上的应用 Applicationofaluminumalloytoworkingships铝制工作船要求的维护较少,使用时间更长,行世界有色金属 2005 年第 11 期驶速度更快;毫无疑问,捕鱼船或任何其它海洋业有必要做这种投资.经验表明,任何一种铝质小型船只都可以使用数十年,而不会遭受任何明显的腐蚀.这种船只的退役通常是出自技术过时的缘故.而非铝
14、结构的老化.总的说来,5000 和 6000 系铝一镁合金优异的耐海洋性气候,特别是耐海水浸蚀性能现已得到大家认可铝合金在 LNG(液化天然气)货船上的应用 ApplicationofaluminumalloytocargoshipscarryingLNG建造 LNG 货船主要有两大技术:隔板(膜片)或MossRosenberg.MossRosenberg 型船只的特征是有较大的球形储罐(每只船至少 5 个),它们是由较宽的铝镁合金板材制成的.采用一种特殊的高电流气态金属焊接工艺将其焊接在一起.船舶用铝合金的发展前景 Developmentalprospectsofaluminumalloys
15、usedinshipindustry对于作为交通工具的船舶来说,提高速度是其改进和发展的主要技术指标之一.目前,在各种交通运输工具中,船舶运输的速度发展最慢.而提高其速度的最有效方法一是减轻船重.二是采用减小水阻力方法,这两种方法的有机结合.使得铝合金高速船艇正在飞速发展中.LNG(液化天然气)可代替石油作能源,在石油发生危机时,对它的需要将变得更迫切.LNG 是把天然气在低于一 162C 的低温下液化而成的.因此在LNG 的贮藏和运输中需要低温 I 生能好的金属.一般使用铝合金,镍钢和不锈钢,而铝合金具有良好的耐海水腐蚀性能.因而都倾向使用重量轻和焊接 I 生能好的铝合金.我国水运条件十分优越.海岸线总长约 1 万 8千多公里,内河航道 1 千余条,随着经济和贸易的迅速发展,必将需要大量的船舶.因此,开发铝合金船具有重要战略意义.我国的铝加工企业和造船企业应相互协作,广泛借鉴国外经验和致力研究.以加快我国船舶的铝材化,逐步使铝合金船形成规模生产,并推广其应用.(作者单位:西南铝业(集团)有限责任公司技术中心)一28
