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航母的甲板既厚实又大又平整,是如何焊接或拼接到一块的,而且保证焊缝能够结实
焊接是船体建造中应用最广泛的技术之一。几乎所有的现代舰船都采用分段建造技术。舱壁段、甲板段、船舷段、上部结构段、球根鼻段等均提前施工。最后,将这些部分焊接在一起,就可以构成航空母舰的整体结构。除了分段焊接外,由于目前人类工业无法直接将整个甲板锤出,航空母舰甲板的焊接是另一个重中之重,整个焊接工作占整个施工过程的30%以上。
航空母舰甲板一般采用屈服强度大于400MPa的高强度合金钢板,厚度在30mm~50mm之间。目前,美国的HY系列和俄罗斯的AK系列最为突出。中国鞍山钢铁公司在这一领域取得了突破,成功利用国产钢材建造了国产航母。航空母舰甲板钢一般采用大型轧机轧制。中国拥有世界上最大的5.5米宽厚板轧机。单板轧制宽度可达5.5米,长度可达40米,航母面积可达15000多平方米。因此,这些板必须焊接在一起并组装在一起。
航母甲板的厚度在40毫米到60毫米之间,这已经是超厚钢板的焊接。因此,不可能采用普通的焊接方法。现代焊接普遍采用窄间隙埋弧焊接。埋弧焊接的过程实际上是将焊料注入焊接界面,然后用电弧加热焊料。焊料熔化凝固后,两块板可以粘在一起形成焊缝。为了保证强度和平整度,电弧焊是将焊料逐层倒焊。航空母舰甲板的焊接可在重复焊接5~10道工序后完成。
由于航母甲板需要承受数十吨舰载机的高压外来冲击,以及高温尾部火焰燃烧和高温高盐环境腐蚀,对焊缝的完整性和内部结构强度提出了更高的要求,而普通的宽口埋弧焊接仍不能满足航空母舰甲板施工的需要。
所以现在有了一种更先进的窄间隙埋弧焊接方法。这种焊接方法具有坡口小、焊料消耗少、焊接牢固稳定等优点。目前,除航空母舰甲板外,核反应堆压力壳、大梁柱结构等超厚板焊接方法得到广泛应用。目前,该方法已完全实现了自动化操作,埋弧焊机能有效地完成工作,大大加快了现代航空母舰的建造进程。我国已经实现了该领域的完全国产化,因此航母甲板的建造不存在技术问题。
正是因为航母甲板对焊接性能也有很大的要求,所以并不是说屈服强度越大,就越能用来建造航母甲板。例如,我国去年突破的屈服强度2200mpa的超级钢,实际上属于含碳量大于0.8%的高碳钢。这种钢焊接后容易产生内应力不均、裂纹等不良状态。即使采用了预热,也无法弥补这一缺陷,因此实际上并不适合航母甲板的施工。
目前世界上用于飞机甲板的钢板都是屈服强度在800MPa以下的中、低碳钢,是性价比最好的选择。
别看只是个甲板的焊接以为很简单,这里面的门道非常多。军舰活动在远洋的高湿高盐环境下,并且长300米宽数十米的甲板有很大的整体面积,要是处理不好,热胀冷缩一下很快就会凹一块凸一块,这样肯定是没办法起降飞机的,所以航母甲板的平整度要求非常高,辽宁舰的甲板平整度在千分之三以下。(也就是平整的甲板上最高和最低的两个点差3mm)
甲板焊接的技术水平直接影响了甲板的使用寿命,这是非常重要的,除此之外,焊接本身也有很多困难,要避免焊缝产生裂纹,这也对工艺和焊接用的金属材料提出了极高的要求。
举个例子,在一艘军用舰船的建造成本中,通常有30%-50%,是花在焊接上的。同时焊接工作会占到舰船建造总工作量的30%-40%,所以不要认为这个焊接很容易。
(一般航母的甲板结构)
而航母甲板的焊接还更难,因为航母的甲板要承受舰载机起降的巨大冲击力,甲板更厚,焊接难度更高,考虑到甲板很厚,一般采用窄间隙埋弧焊(NG-SAW)。
以“辽宁舰”举例:
甲板的边缘并不是平整的,只有最下面抵住,上面B段的间隙通常在20mm以下,两张甲板接在一起,空着的这一段直接用焊接材料填充,这种方法可以保证大面积的飞行甲板不会在后续的使用中出现焊缝开裂的情况。、
同时辽宁舰的甲板钢成分为12Ni3CrMoV,类似于美国的HY-80甲板钢。基于工艺与材料的要求,焊接温度预热温度为38度,焊接点温度不能高于150度。
每一米长的焊缝需要焊接2分钟以上。
整个航母甲板被分为连接在一起的几十块,比如英国的伊丽莎白女王级,甲板是32块。
焊完之后用钢条封顶,然后打上相关责任人的名字(也就是焊工的名字),还要拍X光片检查,不行就重焊。
检查完以后再把焊缝的钢条给封上,等待刷漆。到这一步,甲板的焊接工作就算完全搞定了。
检查完以后再把焊缝的钢条给封上,等待刷漆。到这一步,甲板的焊接工作就算完全搞定了。
航空母舰的飞行甲板采用的是窄间隙埋弧焊技术,将一块一块宽厚板焊接成为不规则形状的,从而组成了飞行甲板。现代航空母舰大都采用了分段建造技术,也就是所谓的搭积木。先将分段的飞行甲板焊接完成后,最后在进行组装焊接。
那么,当每处分段建造完成后,就要进行总装了。分段与分段之间的连接是铆接或者焊接,但是飞行甲板之间是焊接的。事实上,只要保证焊缝质量的可靠,那么接缝处是不会断裂的。因为焊缝是等匹配或高匹配母材的,如果说焊接好的焊缝中不存在任何缺陷,焊缝金属的强度是高于母材的。但由于焊接技术问题,焊缝中可能有气孔,夹渣,咬边,未焊透等缺陷,不是所有的焊缝都满足要求的,所以就需要对焊缝进行检验。
尤其是航空母舰得飞行甲板,不能出现一丝一毫的问题。因为在舰载机降落的瞬间其冲击力高达数十吨,如果焊缝的质量不过关,在如此巨大的冲击力下,就可能导致焊缝开裂,从而发生飞行事故。所以说,为了保证焊接质量的可靠,每处焊缝都要经过X光检验,以确保焊缝质量的过关。
航母的飞行甲板对平整度要求极高,不平度必须在5mm/m以下。也就是说,每块宽厚板的不平度都在5mm/m以下,那么连接起来的飞行甲板就比较平整,不会影响舰载机的起降。由于航母的飞行甲板面积就那么大,宽厚板的面积越大,焊缝也就越少。如此一来,既能保证甲板的不平度,也能提高其强度。所以说,万吨级的轧制机是制造航空母舰必不可少的重要机械。我国拥有世界上最大的轧制机,可以轧出长40米,宽5.5米,厚40毫米的飞行甲板所用钢板。
事实上,飞行甲板所用的钢材厚度并不是航空母舰中最厚的,其厚度只在40毫米—55毫米之间。而航母的指挥室,动力舱,弹药室等部位的钢板厚度在220毫米—330毫米之间。水下部分,船壳所用钢板的厚度也超过了100毫米。但是飞行甲板所用钢材的屈服强度是最高的,抗爆炸性,耐腐蚀性,耐高温性,韧性等也是最好的。所以说,飞行甲板所用钢材的制造难度相当大。(图片来自网络)
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