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航母用鋼及甲板焊接技術

6月17日,我國完全自主設計建造,采用平直通長飛行甲板,配置電磁彈射和阻攔裝置,滿載排水量8萬余噸的第3艘航母、首艘彈射型航母福建艦下水。


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航母甲板并非是一塊整體的鋼板,畢竟沒有這么大的制造設備,而是按照要求由一塊塊的專用鋼板進行拼接,有很多不規則的鋼板拼接而成。


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伊麗莎白女王級航母的大型起吊分段


航母的飛行甲板的厚度達到幾十毫米,但這是整體的厚度,航母甲板并不是一層就這么厚。


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航母甲板的最底層背面要做隔熱處理,艦載機產生的尾焰不能把熱量傳導進甲板的下面,底層甲板還必須具備防水滲透功能,采用焊接工藝。


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飛行甲板層是以底層為基礎進行拼接的,采用焊接和鉚接工藝,其技術都是各國的保密范圍,其焊接工藝要求極高,采用機器焊接和人工焊接方式。


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有專家說,航母焊接質量就是戰斗力。在國產航母的建造過程中,焊接技術正是中國船舶制造工業的重大突破之一。


航母建造的過程中,所消耗工時的30%都是焊接工人的工作量。據介紹,每一條焊縫X光拍片一次,檢驗合格率達到97%以上,界面的平整度控制在3‰以下。


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女王級航母,遙看焊縫近卻無


大型航空母艦需要的鋼板品種規格繁多,一般可分為船體板、裝甲板及結構板三大類。下面讓我們來分別看一看航母不同地方需要的鋼材情況。


船體用鋼板

要求比較低,基本上就是潛艇用的耐壓板,屈服強度通常為450兆帕和550兆帕,鋼板厚度為22~28毫米。船體的水下部分為了防止魚雷與潛艇導彈的轟擊,采用鋼板厚度達150~203毫米。也有制成雙層或三層船體,當外層鋼板被擊穿時,還有一層保護層,這樣就增強了航母的抗打擊能力。以前的航空母艦還在易受攻擊的部分采用增掛裝甲板的方式,以抵御各種意外的攻擊。航母需要的另外一種鋼材就是裝甲鋼板。



裝甲鋼板

一般用在最為關鍵的核心部位。航母上有兩個地方最重要,一個是指揮中心,指揮中心是航空母艦鋼板最厚的部分,最厚達330毫米,有點類似坦克用的裝甲鋼板;另外一個地方是航母的動力系統。如果航母的機艙被破壞,那么航母就變成了挨打的活靶子,因此,機艙也要重點保護。重點保護的方式就是用裝甲鋼板。此外,炮臺等地方也要用防彈裝甲板進行保護。航母用鋼的最重要部分是結構用鋼板。


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結構板

主要用于飛機跑道、隔倉及船體結構等,尤其是飛機跑道,要求極高。首先,要求飛行甲板能夠承載20~30噸艦載機起飛和降落的沉重沖擊。其次,要承受噴氣式飛機高達幾千度的火舌的烘烤。所以,飛行甲板的屈服強度一般要達到800兆帕。還有,飛行甲板的厚度不能太厚,一般是40~50毫米,且要求不平度達5毫米/米以下,否則會影響飛機升降的質量。更重要的是,飛行甲板的板面越大越好,要盡量減少焊縫。總而言之,航用的結構鋼板要求高強度、小厚度、大面積、能夠在惡劣環境中使用。


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目前,世界上能制造航母、潛艇用鋼的只有美國、日本、法國、俄羅斯等少數幾個國家。其中,質量最好的還得數美國。


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 “肯尼迪”號 (CVN 79)用鋼


美國用來制造航母飛行甲板的鋼的屈服強度一般在850兆帕左右。他們現在已經開發了兩個系列的特種鋼。一種是HY系列特種鋼材。HY-80是一種鎳鉻和加入鈦的合金鋼,屈服強度在800兆帕左右,是制造航母或者造核潛艇最佳鋼材。用這種鋼制造的潛艇,能下潛2000米,而后美國又在HY-80鋼的基礎上,發展了屈服強度不低于686兆帕的HY-100鋼,相比于HY-80提高了鋼的耐蝕性、強度,改善焊接性、成型性與機加工性等,其也是當前美國海軍航母重要部位的主要材料。


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另外一種是HSLA型鋼材。HSLA-80鋼是美國20世紀80年代研制成功的新型高強度、高韌性結構鋼。該型鋼已部分或全部取代HY-80鋼用于建造大型水面艦艇,如驅逐艦、巡洋艦和航空母艦等,其中尼米茲級核動力航母的某些結構采用此鋼種。HSLA-100鋼是美國為新建的航母殼體和先進的攻擊型核潛艇(非耐壓殼體)而研制的鋼,HSLA -100是一種含碳量低,銅沉淀強化鋼,合金元素含量比HSLA -80的要高,屈服強度約為690兆帕,其性能已達到HY-100鋼的水平,板厚可達100毫米。


HSLA-100鋼的第一批訂貨是用于核動力航母“斯坦尼斯”號(CVN-74)。這種型號鋼板由于采用了尖端低合金技術,其硬度超強,重量非常小,因此建造構件非常輕便,并且成本還很低。用HSLA-100這種特殊用鋼建造的福特級航母,其整體重量減輕了很多,建造成本也節省許多。如果在航母艦體外殼上使用這種特種鋼,它能夠在提供相同或者更長的使用壽命情況下,比采用傳統高強度鋼建造的艦體外殼更薄,重量更輕。


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俄羅斯的AK系列鎳鉻加鈦合金鋼是世界上屈服強度最高的材料,可達1000MPa,除了用來制造航母,還用來制造需要深潛的核潛艇。


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法國生產的“軟鋼”屈服強度是550MPa左右,英國的無敵級航母使用的就是法國軟剛,但基于這樣的材料屈服度比較底,一般僅僅用于制造小型垂直起降或者直升飛機航母,諷刺的是法國自己的“戴高樂號”航空母艦用的卻是美國的HY-80鋼。


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日本制造的特種合金鋼,屈服強度基本在450MPa左右,日本的潛艇和兩硒攻擊艦都使用了本國出產的特種鋼材。


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50mm厚度的航母甲板,是如何保證其焊接質量的呢?

由于航母甲板面積通常可達1.5萬平方米以上,因此必須要將這些鋼板焊接拼裝在一起。那么,這個甲板的焊接到底用哪種焊接工藝呢?

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大家都知道,其實各種焊接工藝都差不多,但是,咱需要的是高效高質的焊接,因此,在所有的航母甲板(類似于HSLA-100鋼材)適用的電弧焊方法中,GTAW(鎢極惰性氣體保護焊)焊縫的夾雜物最少,但是這種焊接工藝效率很低,比較適用于薄板的焊接,因此為了應對厚度超過30mm的甲板鋼,可以使用BGTAW(潛弧鎢極氣體保護焊)。

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這種工藝在焊接厚板時無需打坡口,總熱輸入也比普通焊法小,所以焊接航母甲板的效率很高,但是無論如何都要制定嚴格的焊接工藝規范,來控制焊接接頭中的H含量和接頭冷卻速度,以保障焊縫的抗裂性能和力學性能,類似焊接工藝的還可以選擇NG-SAW窄間隙埋弧焊


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另外,眾所周知,焊接是會產生變形的,而這么大面積的甲板焊接,是如何保證甲板平整度小于千分之三,這個是關鍵技術,沒有查到相關資料,應該屬于保密。就焊接變形控制這塊,焊接專業人士基本上都能分析出來如何控制,這里不再贅述。


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但是,如何保證每一條焊縫的焊接質量?而且如果出現問題,如何進行追蹤溯源的呢?據相關人士介紹,每一條焊縫都是經過X射線檢測,并且,每條焊縫都有相關記錄,責任到人,以此確保焊工的責任心和使命感。

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總之,焊接無小事,不管哪個行業,我們都不能小看焊接的重要性


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