航母甲板的焊接.docx
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航母甲板的焊接
航母甲板的焊接
华北科技学院材料B072班邓海帝200702034224
一、课题背景
1、船体的结构及其材料
按船舶用途分类，总的可分为军用舰艇和民用船舶两大类。
军用舰艇分类：
战斗舰艇：
航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、潜艇、鱼雷艇、导弹艇及布雷、扫雷舰艇等；登陆舰艇：
运送部队和武器装备到敌岸登陆的舰艇；辅助舰船：
即担负后勤保障任务的各类舰船，如训练舰、补给舰、侦察船、医院船、供应舰、舟桥浮箱等。
民用船舶主要可分为如下几大类：
运输船舶、工程船舶、渔业船舶、港务船舶、特种船舶、海洋工程：
海洋调查船及深潜器、海洋钻井平台。
2、航空母舰的介绍
航空母舰（AircraftCarrier），简称“航母”、“空母”，前苏联称之为“载机巡洋舰”，是一种可以提供军用飞机起飞和降落的军舰。
航母是一个国家科技、工业制造水平的综合体现。
航空母舰是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰艇。
依靠航空母舰，一个国家可以在远离其国土的地方、不依靠当地的机场情况施加军事压力和进行作战。
航空母舰的主要任务是以其舰载机编队，夺取海战区的制空权和制海权。
现代航空母舰及舰载机已成为高技术密集的军事系统工程。
一个航母战斗群的威力，如果是执行封锁任务。
那么可以封锁200到800公里水域，可见，航母的战斗力是非常强大的。
航母一直是很多濒海国家追求的目标，当一个国家的国家实力与国家意志达到一定程度，而这个国家又需要海洋时，航母自然会成为一种必然选择。
21世纪初，世界上共有9个国家拥有航空母舰：
美国、法国、英国、俄罗斯、意大利、西班牙、巴西、印度、泰国。
其中，美国拥有世界上最多的和最大的航空母舰，其它国家的航空母舰比美国的都小得多。
美国作为拥有世界上最多和最大的航空母舰的国家，其它国家的航空母舰比美国都小得多，因此美国是世界海洋的独霸无疑。
不过做为拥有世界上规模最大航母战斗群的美国，也为此付出了很大的代价，其运营开支同样数目庞大。
比如美国的尼米兹级航空母舰，由2座核反应堆和4座蒸汽轮机推动，全长340米，载员6300人，该舰艇价值50亿美元，每月的开支需要至少1300万美元。
4、航母的建造难度
制造航空母舰到底有多少技术难关，中国为什么现在还没有航空母舰？
第一、材料关。
航母用的钢材特别是飞行甲板用钢要求极高。
特别是对于材料的屈服度要求，可比核潜艇要求更苛刻许多。
一般对于造船用特种刚才都用屈服强度作为一个重要的选择指标，民用船只一般只需要250Mpa的材料即可，普通军用船只也就是300以下，而且近年来，成本控制的进一步要求，一般军舰采用民用标准的很多，材料要求进步降低，甚至出现了使用铝才建造上层。
但对于航母的飞行甲板标准却是各国均没下降过的。
而且全世界至今仅仅4个国家制造的钢才能用于航母制造。
俄罗斯的AK系列合金钢是世界上屈服度最高的材料，使用镍铬和加入钛的合金钢，根据钛成分的多少分不同样本。
最高的达到1000MPA，用来制造需要深潜的核潜艇。
而用来制造航母飞行甲板的一般在850左右。
美国HY系列特种钢材同样用于制造潜艇和航母飞行甲板。
HY80的屈服度在800左右，用于航母制造。
同样也是镍铬和加入钛的合金钢。
法国软钢的屈服度比较底，仅550左右，但对于出口限制较少，而上述2种材料，美俄是基本不出口的。
英国的无敌级航母使用的就是法国软刚，但基于这样的材料屈服度比较底，一般仅仅用于制造小型垂直起降或者直升飞机航母。
法国自己的戴高乐号还是用的HY80特种刚。
日本也能制造屈服度比较高的特种合金钢，基本在450左右，日本的潜艇和两硒攻击舰都使用了本国出产的特种钢材。
反观我国，对制造屈服度高于350的特种钢材的生产能力都比较低，这个从我国建造核潜艇的速度上就可以反映出来。
材料的生产是个大问题。
同样的对于航母也是如此。
第二、涂料关。
飞行甲板上的涂料是个大科学，别看其实就刷这么点平方，也许还不及一个县政府大楼，但要求很高。
防腐蚀，耐高温，防滑已经是最底要求了。
还要求做到不粘，这么多的飞机在那里，不漏点油是不可能的，油滴那里必须要第一时间冲刷的走。
涂料的摩擦系数更是高科技，太高了飞机起飞不合适，太底了降落不合适，还要考虑飞机的系留问题。
而现在的实际情况是关于船用涂料方面，我国基本是一片空白……而且类似涂料的引进更是不可完成的任务，因为这类涂料本身做为特种涂料，产量都不是很大，更是属于高科技类严格研制产品。
别说西方国家了，俄罗斯都不会卖给我们的。
第三、航行稳定关。
船越大，海况对船只的影响越小。
虽然说航母一般说来已经够大了，但对于需要在高海况下还要完成飞机起降的任务，航母却还是需要很多手段来控制平稳航行的。
这里做的最好莫过于法国的戴高乐号，他一共在双侧各安装了2套通过计算机控制的减摇鳍。
利用计算机实时计算，分析舰体摇摆度，倾斜度，为减摇鳍精确定位，以达到最好的平稳效果。
我国现阶段直接上类似美军10W吨级的航母似乎力不从心，更实际的情况是类似于“戴高乐”号这样的中型航母。
但对于这样的航母舰体的平稳控制就显的关键了。
在我国的计算机控制技术获得大幅度提高前，无疑这个是比较大的难题。
不过估计这方面可以通过引进法国技术解决。
第四、飞机弹射关。
真正分析下弹射器的结构，其实很简单，也就是一活塞而已，并无多大特色。
但是要生产这么大的活塞却是很困难了。
最难的就是在活塞杆上的开口，需要在这么大的不规则部件上开出一条不规则的而且高吻合度的长裂缝来，没有高精度的数控机床明显是做不到的。
而且产量极底。
一艘上用3个，再生产3个备用，都不过6个。
毕竟谁没事老造航母啊？
真要生产，只怕是成本其高！
所以这也是当年俄罗斯没用弹射起飞的原因之一。
第五、超大型起降设备关。
很多人以为航母上的起降机不就是大电梯，其实不然。
起降机要求很高，首先不论是舷侧还是中央位置的起降机对于甲板的密和度要求很高，建造材料要求耐腐蚀，耐高温，不变形。
还要一次性能起降30多吨的重量。
而且在建造过程中，船体的龙骨也好，还是上层建筑也好，基本都需要一次性吊装完成。
没有5000T以上的超大起重设备根本不可能。
但到现在为止，类似的超大设备还未在中国生产。
第六、焊接和切割技术关。
航母的飞行甲板是巨大的不规则形状，还要切出大面积的不规则开口。
这里就需要到相当高精尖的特殊材料焊接和切割技术了。
精度要求很高。
国际上常常使用的激光切割在这里根本还不行，因为这个并不是普通的船用钢材，厚度和材料的坚硬度要高上一个数量级了。
而材料的无缝隙爆破焊接也是航母建造中不可缺少的。
但上面两样技术却是我们缺少的。
第七、软件关。
软件上缺少的更是捉襟见肘。
光是人员队伍的建设就根本是个大问题。
飞行员改学舰长，世界上根本就没有任何一任航母舰长是飞行员出来的。
在这方面，日本都远比我们有经验的多，毕竟这是世界上几个参加过航母大战的国家之一了。
再加上海军飞行学校，舰载战斗机飞行培训基地。
类似的建设全是大投资、小收益。
就是法国这样的发达国家都不愿意建设，而情愿把人和飞机全运到美国去训练。
5、中国的航母制造的必然性及进程
中国应不应该建造航空母舰、什么时候建造，这是在一个相当时间内国人非常关心的话题。
航母的建造，关键在于国家的战略是否需要建造的必要性，关键在于航空母舰建造和日后发挥应有效能的可能性和可行性。
航空母舰不仅仅是艘“货船”，而是一个系统中的一份子。
必要性的关键就是航母舰队是否能够满足国家维护海洋利益和其他国家战略利益的需要，是否是唯一的需要，是否是必然的需要。
关于国家的战略利益，比较明确的有：
维护国家的领土完整、维护战略进口物质的海上通道的安全、保护我们的海洋权益、保护海外侨民、提升战区安全防护的空间和预警的时间等等。
中国曾经从前苏联购买了瓦良格号、基辅号、明斯克号等航空母舰，但是这些航母都没有用于军事用途。
随着中国综合实力的迅猛提升，中国海军已经能够轻易地突破美国精心构造的用来遏制和围堵中国的三条岛链中的“第一岛链”，自由自在地走向了更加辽阔的海洋，再加上中国海军护航索马里，使得中国海军真正突破了所谓的岛链围堵。
还有中国即将超越日本，成为美国之后的世界第二大经济体，所有这些因素，都昭示着中国拥有航空母舰的必然性和合理性。
二、中国航母甲板的焊接
焊接在船体建造中应用很广，各种技术已趋于完善和成熟，焊接工作量占船体建造总工作量的30%~40%，焊接成本占船体建造成本的30%~50%。
同时，焊接技术能扩大，造船总量、缩短造船周期、稳定焊接质量、提高经济效益、减轻劳动强度等。
造船焊接技术起步于50年代手工电弧焊；50年代中期引进埋弧自动、半自动焊；50年代末期~70年代末，试验半自动CO焊、重力焊、下行焊、衬垫单面焊获得成功；80年代初，船总大力发展高效焊技术，成立高效焊接技术指导组，推广应用各种高效焊。
船舶焊接具有工件庞大、形状复杂、施工环境差等特点。
主要有以下三种焊接方法：
①埋弧自动焊：
普通单、双丝埋弧焊、FCB法、RF法、FAB法；②CO气体保护焊：
常规CO半自动焊、双丝自动焊（MAG）、自动角焊、CO气保护单面焊、CO气电垂直自动焊；③手工焊条焊：
铁粉焊条焊、下行焊条焊、深熔焊条焊、重力焊、普通焊条焊。
船体建造多采用分段建造方法。
根据一艘船的总体建造方案，把船体划分成若干个局部结构（部件、分段或总段），如舱壁分段、甲板分段、平台分段以及双层底、轴隧、带纵舱壁的舷侧分段、球鼻首、边水舱分段等等。
总段是由底部、两舷及甲板组成的环形船体段，此外，还有上层建筑总段等。
船体分段有各种类型，但其装配焊接的过程存在共同的、基本的过程。
这次课程设计，就是围绕着航母甲板分段的焊接展开的。
中国要建造多大级别的航母？
专家认为，中国要建造航母，不妨重新组装从苏联买来的“瓦良格号”航母作为实验，逐渐积累经验，从而制造自己真正的航空母舰。
所以“瓦良格号”航母是中国航母的一个标准模型，本次课设的一切设计指标均以“瓦良格号”航母作为基本原型，作为参考。
1、“瓦良格号”航母主要的参数
主尺寸：
舰长302米（全长）、281米（水线）、舰宽70.5米、吃水10.5米;
飞行甲板：
长300米、宽70米;
机库：
长152米、宽26米、高7米;
排水量：
55000吨（标准）67000吨（满载）;
动力：
4台蒸汽轮机4轴200000马力;
航速：
29～31节;
续航力：
>7000海里/18节
从“瓦良格号”航母主要的参数中，可以看出其飞行甲板基本参数为：
长300米、宽70米。
而厚度等其他参数，“瓦良格号”是6万吨级的，属于中型航母。
不同航母级别的甲板参数有不同，而同一航母上的甲板又因用途不一样而有所不同。
如下图是“瓦良格号”航母船体的厚度和用钢参数：
“瓦良格号”属于中型航母，本次课设的焊接甲板的板厚选50mm的板厚。
2、航母用钢
工业制造水平是一个国家军力、国力最重要的指标之一。
船用特种钢材的屈服强度一般用MPa（兆帕）表示。
像油轮、散装货船，集装箱船等民用船所用钢大约有250MPa就够使了，普通军用船只在300MPa以下就行。
而航母、潜艇用钢，特别是航母飞行甲板用钢一般要求在850MPa以上。
目前，世界上能制造航母、潜艇用钢的只有美国、日本、德国、俄罗斯等少数几个国家。
其中，质量最好的还得数美国。
具体说，美国的HY-100，HY-80这两个型号的钢，是制造航母或者造核潜艇最佳钢材。
用这种钢制造的潜艇，能下潜2000米，或更深。
而一般钢制作的潜艇下潜200米，艇上的管道都会被巨大的海水水压压扁、压裂的。
俄国的航母用钢也不错，其中AK系列镍铬加钛合金钢是世界上屈服强度最高的材料，可达1000MPa。
其余，法国生产的"软钢"屈服强度是550MPa左右；日本制造的特种合金钢，屈服强度基本在450MPa左右。
“瓦良格号”作为俄罗斯一艘典型的航母，其所用材料见证了俄罗斯航母钢材的发展历程。
俄罗斯船体钢的强度等级也较齐全，从355MPa至980MPa均有相应的钢种。
据有关资料介绍，前苏联大、中型航母主壳体选用的是屈服强度为590MPa级的高强度钢，其防护结构选用了屈服强度为760MPa～980MPa的多种高强度钢。
通过对“瓦”舰的勘测，发现俄罗斯在中型航母主船体的外板、飞行甲板等关键部位都采用了AK系列钢，俄罗斯用于航母建造的钢种基本情况见表5（上表）。
需要指出的是，俄罗斯“瓦良格”号航母主船体用型材主要是AK--25对称球扁钢及10XcH皿对称球扃钢，这是与国内驱护舰采用单头球扁钢的显著不同之处。
在高强度高韧性低合金调质钢（强韧钢）方面，我国已研制出12Ni3CrMoV钢和10Ni5CrMoV钢，在高强度、高韧性、焊接性等综合性能上均已达到国际水平。
从化学成分上看，前者相当于美国的HY-80钢，而后者则相当于HY-130。
这两种钢主要用于海军舰艇的制造，可以说是目前能作为第一代航母的用钢的唯一材料。
目前，我国海军最新一代的093、094型核潜艇、054型最新护卫舰用的就是这种钢。
但总体来说，我国这种钢的质量与美国、俄罗斯还有一定差距。
3、航母甲板的焊接工艺
综上所述，我们可以得出中国新一代航母甲板用钢为12Ni3CrMoV（从化学成分上看，相当于美国的HY-80钢，而HY-80是制造航母或者造核潜艇最佳钢材），飞行甲板的长300米、宽70米，厚度取50mm的规格。
航母甲板的构架如下图：
（1）、焊接方法的选择
甲板的大小相当于三个足球场大小，因而焊接工作量大，但焊接平面非常平整，易于实现自动化焊接，此外，甲板厚度过高，增加了焊接的难度。
综合考虑，选择窄间隙埋弧焊（NG-SAW）作为焊接方法。
埋弧焊是目前工业领域应用最为广泛的焊接方法之一,也是应用到窄间隙技术中最成熟、最可靠、应用比例最高的焊接方法。
窄间隙埋弧焊（NG-SAW）是一种用于板厚对接接头焊接，焊前焊件不开坡口或只开小角度坡口而留有窄而深的间隙，采用多层埋弧焊进行焊接的高效率焊接方法。
窄间隙埋弧焊出现于上世纪80年代,很快被应用于工业生产,它的主要应用领域是低合金钢厚壁容器及其它重型焊接结构。
窄间隙埋弧焊的焊接接头具有较高的抗延迟冷裂能力,其强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头,与传统埋弧焊相比,总效率可提高50%～80%;可节约焊丝38%～50%,焊剂56%～64.7%。
窄间隙埋弧焊已有各种单丝、双丝和多丝的成套设备出现,主要用于水平或接近水平位置的焊接,并且要求焊剂具有焊接时所需的载流量和脱渣效果,从而使焊缝具有合适的力学性能。
一般采用多层焊,由于坡口间隙窄,层间清渣困难,对焊剂的脱渣性能要求很高,尚需发展合适的焊剂。
单道焊仅在使用专为窄坡口内易于脱渣而开发的自脱渣焊剂时才采用。
（2）窄间隙埋弧焊（NG-SAW）工艺的内容
（i）焊前准备
1、坡口的选择
窄间隙埋弧焊（NG－SAW）坡口有两种单边U形和双边U形，由于工程浩大，为了节约成本，我们选择单边U形坡口。
目前窄间隙埋弧焊（NG－SAW）的坡口形式没有统一的国家标准，坡口形式和尺寸都由各企业自定，坡口设计是焊接工艺设计的关键。
产品结构设计中往往由焊接工艺部门向设计部门提供窄间隙的坡口形式和尺寸，因为产品结构形式、部件质量、企业的加工能力等直接影响坡口设计。
坡口设计的好坏不仅影响焊接接头质量，而且影响产品加工工艺、效率和成本。
窄间隙坡口四个基本参数：
厚度H、开口宽度B、根部R值和钝边。
如下图
焊件间隙的大小取决于焊件的厚度。
对于单丝间隙埋弧焊，当厚度为50~200mm时，间隙为14~20mm,在这里取B=14mm；钝边一般取4mm;根部R值为15。
2、焊件的清理
焊前必须将坡口及焊接部位表面的腐蚀、油污、水分、氧化皮等清理干净。
方法有手工清理（如钢丝刷、风动砂轮等）、机械清除（如喷丸）等。
3、焊丝的清理和焊剂的烘干
焊前必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。
为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须严格烘干，而且要求烘干后立即使用。
4、焊件的装配
焊件装配时，必须保证间隙均匀，高地平整。
定位焊的位置应该在第一道焊缝的背面，长度一般应大于30mm。
（ii）选择焊接工艺方法
为了提高航母甲板的焊接效率，我们选择多丝焊，不加焊剂衬垫悬空焊，对接接头单面焊。
因为坡口的间隙大小为18mm，所以选用每层单道焊最适宜，这种方法焊接时间最短，但对坡口间隙的误差要求高，而且焊丝必须始终对准间隙的中型。
（iii）选择焊接材料
航母甲板用钢为12Ni3CrMoV，属于高强度高韧性低合金调质钢，从化学成分上看，相当于美国的HY-80钢,焊丝和焊剂理论上可以通用。
高强度高韧性低合金调质钢的焊接材料要求与母材等强匹配。
采用埋弧焊方法焊接HY-80钢时，所用的实心焊丝型号是MIL-EBI82和MIL-MI88，焊剂型号为MI-EB和MIL-MI。
施焊时预热温度应不低于38℃，道间温度应不大于150℃。
（iv）选择焊接参数
单面焊坡口的焊接工作量主要在筒体外面，背面清焊后再焊接。
带垫板的单面焊坡口焊缝可连续焊完，但焊后需要将垫板去掉。
若装配有错边，根部会产生焊接缺陷。
双面焊坡口可用于大直径的容器焊接，但缺点是筒体内部焊接工作量较大，如焊件需要预热，焊接环境条件很差。
双面坡口的内部用焊条电弧焊或埋弧焊打底，焊接工作量小。
窄间隙焊接时必须选择合适的坡口间隙。
为了补偿焊缝的自然收缩，保证焊接能连续进行，坡口面角度一般为1°～5°。
焊接参数的具体选择见表4（坡口的间隙大小为18mm）：
（v）检验
对航母甲板整个板面的纵、横焊缝，按照有关技术进行检验。
三、课程设计总结
中国对航空母舰的探索必将持续相当长的一段时间，相信随着中国综合实力的不断提升，中国人自己的航母自然水到渠成，航母作为强国的标志，正是我们几代中国人所追求的目标。
而在建设航母的道路上，虽然任重道远，我们依然前行，本次课设大胆地对航母甲板的焊接问题进行了设计，其工艺方法正确与否，还待实践的检验，其中有遗漏或错误之处请大家指正。
参考文献
1、焊接方法及设备沈阳工业大学王宗杰主编
2、金属焊接材料手册化学工业出版社吴树雄主编
3、焊接手册一、二机械工业出版社中国机械焊接学会编
4、国外航母船体材料概况谷美邦莫立新（海军驻大连426厂军事代表室）
5、窄间隙焊接的应用现状及发展趋势周方明,王江超,周涌明,张军
江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室
6、HSLA-80/100钢的焊接朱炳琨洛阳船舶材料研究所
7、船体结构焊接常见缺陷及其对策陈凯卢盛辉（南宁船舶检验局。
广西南宁530031）
8、窄间隙埋弧焊的发展张国栋,张富巨,卜旦霞武汉大学焊接研究所
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