航母甲板焊接技术揭秘:窄间隙埋弧焊,打造坚固海上堡垒

   日期:2024-07-29     来源:网络整理    作者:佚名    浏览:441    
核心提示:航母用钢的最重要部分是结构用钢板。50mm厚度的航母甲板,是如何保证其焊接质量的呢?

资料来源:央视、91品质、月上一朵白花、奇胜123等

6月17日,我国第三艘航空母舰、第一艘弹射式航空母舰福建号下水,该舰完全自主设计建造,采用平直全长飞行甲板,配备电磁弹射器和拦阻装置,满载排水量超过8万吨。

最近在《金属加工》杂志上看到焊接小伙子介绍航母甲板的焊接工艺:窄间隙埋弧焊。

航母的甲板并不是一整块钢板,毕竟没有那么大的制造设备。而是由一块块特制的钢板按照要求拼接而成,而且有很多块不规则的钢板拼接而成。

伊丽莎白女王级航空母舰大型起重段

航母飞行甲板的厚度达到几十毫米,但这是整体的厚度,航母甲板可不是只有一层厚的。

航母甲板底层背面必须采取隔热措施,使舰载机尾焰产生的热量无法传导到甲板底部,底层甲板还必须具备防水、防穿透功能,并采用焊接技术。

飞行甲板层是在基层基础上拼接而成,采用焊接、铆接工艺,技术各国均保密,焊接工艺要求极高,采用机器焊接和手工焊接两种方式。

有专家称,航母焊接质量就是它的战斗力,在国产航母建造过程中,焊接技术是我国船舶工业的重大突破之一。

一艘航母建造过程中,30%的工时都花在焊接上,据悉特殊钢结构质量最好,每条焊缝都经过一次X光检查,合格率达到97%以上,接口平整度控制在3‰以下。

伊丽莎白女王级航空母舰,焊缝从远处看起来很棒,但近距离看却看不见

我们通过@胡坎的脑洞世界制作的短视频来了解一下这种焊接技术:

大型航母所需钢板种类繁多,一般可分为船体板、装甲板、结构板三类,下面我们来了解一下航母各个部位所需钢材。

船体钢板

要求比较低,基本上就是潜艇用的耐压板,屈服强度通常为450MPa、550MPa,钢板厚度为22~28mm。为了防鱼雷、潜射导弹的轰击,舰体水下部分使用钢板厚度为150~203mm。也有双层或者三层舰体,当外层钢板被击穿后,还有一层保护层,增强了航母的抗打击能力。过去航母也采用在脆弱部位加装装甲板的方法,抵御各种突发袭击。航母所需的另一类钢材是装甲钢板。

装甲板

一般用在最关键的核心部位。航空母舰上最重要的地方有两个。一个是指挥中心,这是航空母舰钢板最厚的地方,最大厚度可达330毫米,有点类似坦克用的装甲钢板;另外一个地方就是航空母舰的动力系统。如果航空母舰的发动机舱被毁,那么航空母舰就变成了一个活生生的攻击目标,所以发动机舱也必须得到保护。保护的方式就是使用装甲钢板。另外,炮塔等地方也要用防弹装甲板保护。航空母舰所用钢材中最重要的部分就是结构钢板。

结构板

主要用于跑道、舱壁和舰体结构,特别是跑道,要求极高。首先要求飞行甲板能承受舰载机起降20-30吨的重击力,其次要经受高达几千度的喷气火焰的烘烤,因此飞行甲板的屈服强度一般要达到800MPa。另外飞行甲板厚度不能太厚,一般为40-50毫米,且要求不平整度小于5毫米/米,否则会影响飞机起降质量。更重要的是飞行甲板板越大越好,应尽量减少焊缝。总之,航空用结构钢板要求强度高、厚度小、面积大,能在恶劣环境下使用。

目前,世界上只有美国、日本、法国、俄罗斯等少数国家能够制造航母和潜艇用钢材,其中美国的质量最好。

肯尼迪号航空母舰(CVN 79)钢材

美国制造航母飞行甲板所用的钢材屈服强度一般在850兆帕左右,他们现在已经开发出两个系列的特种钢。一个是HY系列特种钢。HY-80是镍铬钛合金钢,屈服强度在800兆帕左右,是制造航空母舰或者核潜艇最好的钢材,用这种钢制造的潜艇可以下潜2000米。后来,美国在HY-80钢的基础上,又开发出HY-100钢,屈服强度不低于686兆帕。与HY-80相比,提高了钢材的耐腐蚀性能和强度,改善了焊接性、成形性和可加工性等,也是目前美国海军航空母舰重要部件的主要材料。

另一类是HSLA钢。HSLA-80钢是美国20世纪80年代开发成功的一种新型高强度、高韧性结构钢,该类型钢已部分或全部替代HY-80钢用于建造大型水面舰艇,如驱逐舰、巡洋舰和航空母舰,其中尼米兹级核动力航空母舰的部分结构就采用该钢。HSLA-100钢是美国为新建航空母舰船体和先进攻击核潜艇(非耐压船体)开发的一种钢。HSLA-100是一种低碳、铜沉淀强化钢,合金元素含量比HSLA-80高,屈服强度约为690MPa,其性能已达到HY-100钢的水平,板材厚度可达100mm。

HSLA-100钢材的首批订单是用于核动力航空母舰约翰·C·斯坦尼斯号(CVN-74)。这种钢板采用尖端的低合金技术,硬度极高,而且非常轻,因此建造的部件很轻,成本还很低。用HSLA-100这种特殊钢材建造的福特级航空母舰,整体重量要轻得多,节省了大量的建造成本。如果这种特殊钢材用在航空母舰的船体上,可以比用传统高强度钢建造的船体更薄更轻,同时提供相同或更长的使用寿命。

俄罗斯的AK系列镍铬钛合金钢是世界上屈服强度最高的材料,达到1000MPa,除了用于制造航空母舰外,还用于制造需要深潜的核潜艇。

法国生产的“软钢”屈服强度约为550MPa。英国无敌级航母采用的是法国软钢,但由于这种材料的产量相对较低,一般只用于制造小型垂直起降或直升机航母。讽刺的是,法国自己的“戴高乐”号航母采用的是美国HY-80钢。

日本生产的特殊合金钢屈服强度基本在450MPa左右,日本的潜艇和两艘攻击舰都采用了日本生产的特殊钢。

50mm厚航母甲板焊接质量如何保证?

由于一艘航母的甲板面积通常超过15000平方米,所以必须把这些钢板焊接在一起再组装起来,那么,焊接这块甲板是采用什么样的焊接工艺呢?

众所周知,其实各种焊接工艺都差不多,但我们需要的是高效、高质量的焊接。因此,在所有适用于航母甲板(类似HSLA-100钢)的电弧焊接方法中,GTAW(钨极惰性气体保护焊)焊缝夹杂物最少,但这种焊接工艺效率很低,更适合焊接薄板。因此,为了应对厚度超过30mm的甲板钢,可以采用BGTAW(埋弧钨极气体保护焊)。

该工艺在厚板焊接时不需要开坡口,总热输入也比普通焊接方法小特殊钢结构质量最好,因此焊接航母甲板的效率很高。但无论如何都必须制定严格的焊接工艺规范,控制焊接接头中的H含量和接头冷却速度,以保证焊缝的抗裂性能和力学性能。类似的焊接工艺也可以选择NG-SAW窄间隙埋弧焊。

另外,众所周知,焊接会产生变形,如此大面积的桥面焊接,如何保证桥面平整度小于0.03%是关键技术,目前没有查到相关资料,应该是保密的。至于焊接变形的控制,焊接专业人士基本都能分析出如何控制,这里就不多说了。

但如何保证每道焊缝的质量?一旦出现问题,又如何追根溯源?据相关人士介绍,每道焊缝都会进行X光检测,每道焊缝都有相关记录,责任到人,确保焊工的责任感和使命感。

 
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