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      海洋材料(15):鋁驅(qū)駛水面艇飛起來(lái)

      2015年09月16日 15:8 6585次瀏覽 來(lái)源:   分類: 新材料前沿   作者:

          鋁合金是制造水面快艇不可或缺的材料,它的低密度、好的可焊性、強(qiáng)的抗蝕性、優(yōu)秀的可回收性等等,使其成為天生的制造水翼艇、登陸艇、氣墊船、雙體船、地效翼船、無(wú)人水面艇等的上乘材料。沒(méi)有鋁,在同等裝機(jī)功率條件下水面艇就不會(huì)跑得這么快,就不會(huì)這樣疾駛?cè)顼w,有時(shí)會(huì)眼看著走私船逃跑而望海興嘆。

      海洋15
        水翼艇
        1965年美國(guó)建造了“普冷維尤”(AGEH-1)號(hào)水翼艇,這是美國(guó)最大的反潛試驗(yàn)艇。采用鋼制全浸式水翼,除水翼系統(tǒng)外,其他部分全為鋁合金焊接結(jié)構(gòu),共用鋁材113.5t,其中大型擠壓材90.8t,占80%。擠壓材為5456-H311合金,厚板為5456-H321。艇長(zhǎng)64.66m,寬12.2m,吃水1.83m,排水量320t,航速92.5km/h。
        上世紀(jì)70年代美國(guó)海軍建造的5艘導(dǎo)彈水翼巡邏艇,稱為“帕加蘇斯(Pegasus)”號(hào)的原型艇于197411月下水。在該艇的殼體內(nèi)部艙壁和甲板的板材和防擾材中,金屬惰氣保護(hù)焊縫長(zhǎng)度超過(guò)3.3km。在建造時(shí)用一臺(tái)牽引型的線焊機(jī)對(duì)焊鋁板,制成大的平面分段,防擾材在定位焊后再進(jìn)行手工焊。為了制造工序更有效,設(shè)計(jì)了一種由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)焊工作臺(tái)。
        美國(guó)“馬克Ⅱ(MarkⅡ)”號(hào)水翼艇是70t的水翼巡邏炮艇PGH-1的大型化和改進(jìn)型。PGH-1型艇于1968年下水,在美國(guó)海軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)服役,艇體材料為5456合金,因?yàn)樗暮附咏宇^強(qiáng)度最高。板材狀態(tài)為H116H117,擠壓材狀態(tài)為H111,以5356合金作焊絲,因?yàn)樗懈叩目沽研裕捎玫暮附庸に嚕航饘贅O惰性氣體保護(hù)脈沖電弧焊,射流電弧焊,鎢極惰氣保護(hù)焊。
        波音公司建造了一批批航速為80km/h100t級(jí)的水翼艇,它們是噴翼型的民用艇,是從美國(guó)海軍水翼艇演變來(lái)的。殼體和上層結(jié)構(gòu)為全鋁焊接的,采用5456-H116H117合金。對(duì)焊縫檢驗(yàn)很嚴(yán)格,全部經(jīng)過(guò)X射線探傷、超聲波檢驗(yàn)和著色檢驗(yàn),著色檢測(cè)前應(yīng)對(duì)檢查部位作侵蝕處理,以除凈氧化膜。
        前蘇聯(lián)是世界上成批生產(chǎn)水翼艇的領(lǐng)先國(guó)家之一,俄羅斯繼承了這一傳統(tǒng),至2013年已制造200多艘,還出口多艘。
        中國(guó)用5A01合金板材、型材、鍛件和焊絲建造“飛魚”水翼艇,采用半自動(dòng)熔化極脈沖氬弧焊和鋼制回轉(zhuǎn)胎架-拉馬裝備。5A01合金的化學(xué)成分(質(zhì)量%):0.40Si+Fe)、0.10Cu、0.30~0.7Mn、6.0~7.0Mg0.10~0.20Cr、0.25Zn、0.15Ti、0.10~0.20Zr,其他雜質(zhì)每個(gè)0.05,總計(jì)0.15,其余為Al。
        登陸艇
        登陸艇在作戰(zhàn)中起著極為重要的作用,美國(guó)的“LARC-15”登陸艇是用鋁合金建造的,艇長(zhǎng)13.7m、寬3.66m、載重量15t,水中航速18.5km/h,陸上航速55.5km/h,材料為5086-H112合金,焊接結(jié)構(gòu),還用了一些5083-H1126061-T6合金。美國(guó)建造的“SKMR-1”反潛和登陸氣墊船為全鋁結(jié)構(gòu),船體主要材料為5456合金。
        上世紀(jì)60年代初,中國(guó)開(kāi)始批量制造水翼快艇,艇體用2A12-T4鋁合金,還用此合金建造了一批導(dǎo)彈快艇的上層建筑、圍壁、發(fā)射筒和發(fā)射架外罩、炮座等,用鋁合金制造的結(jié)構(gòu)還有:鋼甲板中部的嵌補(bǔ)甲板,倉(cāng)內(nèi)壁、平臺(tái)。炮艇、獵潛艇上層建筑以及中型艦艇的倉(cāng)壁、倉(cāng)面屬具等也應(yīng)用了鋁合金,其中一部分為5XXX系合金焊接結(jié)構(gòu)。
        氣墊船
        氣墊船多是用鋁合金打造的,其中最值得一提的是1976年由羅爾(Rohr)工業(yè)公司承包的一項(xiàng)設(shè)計(jì)制造美國(guó)海軍3000t、148km/h表面效應(yīng)船“3KSES”的合同,該船為全鋁焊接結(jié)構(gòu)。在選材時(shí),可能選用5456-H116H117,也有可能選用強(qiáng)度高的Al-Cu-Mn2219合金制造焊接結(jié)構(gòu),而非焊件則選用超強(qiáng)度的Al-Zn-Mg-Cu系的7075-T73合金。這兩種合金在航空航天器制造中是頂梁柱材料,但在海洋結(jié)構(gòu)中卻不是主要材料,因?yàn)槠淇垢g性能尚有待考核,當(dāng)時(shí)美國(guó)還應(yīng)用了一種新研制的牌號(hào)為CS19的合金,其鎂含量高達(dá)8.7%,它的焊接接頭的典型屈服強(qiáng)度為230N/mm2,而常規(guī)的5456合金的只不過(guò)150N/mm2~170N/mm2。
        “3KSES”氣墊船是當(dāng)時(shí)噸位最大的軍用全鋁焊殼船,對(duì)選材極為慎重。5456-H116117)合金終因力學(xué)性能、抗蝕性、可焊性及成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)而被評(píng)為最佳的主體殼體板材結(jié)構(gòu)材料,而擠壓材則選用5456-112合金,因其強(qiáng)度比5086-H112合金的大19%,H112狀態(tài)合金組織中沒(méi)有會(huì)使合金在海洋環(huán)境中出現(xiàn)剝落腐蝕敏感性的β相晶界連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。
        上世紀(jì)80年代后期西班牙海軍建造的36t氣墊船原型用于試驗(yàn)和鑒定,是用鉚接方法建造的。前蘇聯(lián)于此期間用5XXX系合金建造了“火焰”號(hào)氣墊船。
        英國(guó)于上世紀(jì)90年代建造了全焊接結(jié)構(gòu)的氣墊船AP1-88,是當(dāng)時(shí)鋁殼氣墊船的最新發(fā)展,殼體采用Al-4.5%MgN8合金(5083合金),型材采用Al-1%Mg-1%SiH30合金(6082合金)。為了避免橫向焊縫和減少鄰近焊縫的熱影響,型材為深I型的,而且盡量寬一些與長(zhǎng)一些。20043月加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)向英國(guó)氣墊船公司定購(gòu)了一批AP1-88型氣墊船。
        前些年設(shè)計(jì)的氣墊艇與早期的相比有很大變化,包括使用空冷柴油機(jī)取代燃?xì)廨啓C(jī)和用焊接鋁結(jié)構(gòu)取代較復(fù)雜的玻璃鋼結(jié)構(gòu),AP1-88型和“虎”級(jí)氣墊船就具有這些設(shè)計(jì)特征。“虎-40”于19864月開(kāi)始設(shè)計(jì),同年12月試航,總長(zhǎng)17.25m,寬7.625m、高5.375m,除用作客船外,還可以用作內(nèi)河和海岸巡羅邏艇以及工作艇等。
        上世紀(jì)七八十年代中國(guó)用7A19合金、5A30合金等建造了全墊式氣墊船和側(cè)壁式氣墊船,它們采用較薄的鋁合金板材,厚1~3mm,此外,還用了多種規(guī)格的型材。由于板材較薄,所以多數(shù)氣墊船采用鉚接連接,但是也有全焊接的。
        雙體船
        英國(guó)麥克泰公司為英國(guó)海軍設(shè)計(jì)建造了第一批裝有升降舵的鋁殼雙體船,有許多引人注目的特點(diǎn):寬綽而穩(wěn)定的甲板,極低航速時(shí)良好的機(jī)動(dòng)性,良好的航向穩(wěn)定性,阻力小。
        法國(guó)梅泰羅工業(yè)系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)了一種軍用多用途鋁殼雙體船,總長(zhǎng)25m,寬10m,吃水0.7~1m,空船凈質(zhì)量45t,載重18t,主機(jī)為2臺(tái)895kW柴油機(jī),噴水推進(jìn),最大航速55.5km/h
        在挪威和瑞典用鋁合金建造雙體船很盛行,如挪威設(shè)計(jì)的10艘高速雙體船全部采用對(duì)稱船體,每艘載客449人,分別以59.2km/h44.4km/h的航速橫渡海峽。
        日本用鋁合金建造的“海梭”(Marine Shuttle)號(hào)小水線面雙體船長(zhǎng)41m,航速63km/h,是可載客280人的非對(duì)稱型高速雙體渡船。
        中國(guó)國(guó)內(nèi)航線使用的一些雙體船有進(jìn)口的,也有國(guó)內(nèi)制造的。
        地效翼船
        地效翼船是介于艦船與飛機(jī)之間的利用類似的表面效應(yīng)產(chǎn)生的氣動(dòng)升力,支撐艇重離開(kāi)水面低飛,偶爾能浮水航行的高技術(shù)新型艦船。地效翼船航速快,最快的可達(dá)555km/h,而且航行性好,具有良好的兩棲性,能在水上、陸地起降,在波浪上方低空飛行,受干擾少,又比較安全,且能跨越沼澤、冰層、雷區(qū)、障礙物等,可廣泛用于軍事行動(dòng),是快速登陸的必備艦船,常與航母、兩棲攻擊艦配套,在登陸作戰(zhàn)中極具突擊性。此外,地效翼船的經(jīng)濟(jì)性好,油耗比常規(guī)飛機(jī)低30%以上,而且比飛機(jī)安全得多,造價(jià)也相對(duì)便宜,在經(jīng)濟(jì)和軍事方面都有大的效益。
        地效翼船的艇體必須用鋁材制造,才能在當(dāng)前的技術(shù)條件下取得最佳的效益,并且采用焊接結(jié)構(gòu),俄羅斯的較大噸位地效翼船大都是用可焊鋁合金制造的,而且要求材料的屈服強(qiáng)度大于300N/mm2,抗拉強(qiáng)度大于400N/mm2,同時(shí)要求材料有良成形工藝性能,相當(dāng)強(qiáng)的耐腐蝕性能等。
        美國(guó)的新型鋁合金無(wú)人水面艇
        擁有大量人口且對(duì)各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系重大的近海地帶是眾多國(guó)家海軍關(guān)注的焦點(diǎn)。近海水域靠近陸地,環(huán)境復(fù)雜,在此處作戰(zhàn)面臨更加多和多樣的威脅,不僅要與對(duì)方的水面艦艇和潛艇交戰(zhàn),還要當(dāng)心不知布放在何處的水雷,陸基航空兵和岸基導(dǎo)彈發(fā)射裝置也是不可忽視的威脅。出于提高效率和減少傷亡等原因,無(wú)人水面艇受到越來(lái)越多國(guó)家的重視,成為有人平臺(tái)的補(bǔ)充中替代品之一。美國(guó)近年來(lái)在近海作戰(zhàn)無(wú)人水面艇的發(fā)展上取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,居世界先進(jìn)水平。
        下圖為美國(guó)海軍研發(fā)的全鋁合金“海狐”無(wú)人水面艦艇,應(yīng)用前景十分燦爛,可執(zhí)行后勤保證和再補(bǔ)給等任務(wù);可用于水文調(diào)查、偵察和欺騙任務(wù);可配備導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確打擊,協(xié)助陸軍在內(nèi)陸湖泊作戰(zhàn);可進(jìn)行淺海反潛、反水雷、兵力保護(hù)、海岸巡邏、打擊海盜等任務(wù)?,F(xiàn)在的無(wú)人水面艦艇的長(zhǎng)度為7~15m,負(fù)載1~3t,用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和噴水推進(jìn),功率70~600kW,航速有低的,也有高的,18.5~64.75km/h等。
        2009年美國(guó)愛(ài)達(dá)公司(AIDA)建造的巡洋艦共有12塊大甲板,其中最上層的2塊是鋁合金的,上層甲板之所以選用鋁合金,是可以提高艦的穩(wěn)定性,保持盡可能低的重心。這兩塊大鋁甲板及所用的22000個(gè)鋁合金螺栓是用林德氣體公司(Linde AC)的專利保護(hù)氣體Varigon He 30S MIG法焊接的。Varigon He 30S氣體是含有30ppm氧的氦氣,氧的添加有助于穩(wěn)定電弧和輔助設(shè)備點(diǎn)火,從而可獲得更加狹窄的熱影響區(qū),焊接邊緣也更加整齊,這對(duì)焊接缺口脆性合金極為有利,對(duì)焊接厚工件可避免孔隙出現(xiàn)和焊合不足等缺陷。
        2011~2014年美國(guó)奧斯達(dá)爾公司(Austal)為美國(guó)海軍建造了10條全鋁雙體船(Catamaran Fleet),還將建造其他高速艦與商用船只,所用鋁板及其他鋁材由美國(guó)鋁業(yè)公司提供,除用于制造艦船外,還用于建造棧橋及其他設(shè)施。
        2012年該公司制造了一艘輕型濱海全鋁艦(LCSLithoral Combat Ship),名為“稱羅納多號(hào)”(Coronado),長(zhǎng)127m,鋁的用量約460t,據(jù)稱在全世界制造的這類艦艇中是用鋁量最多的,其中用得最多的是5083合金,由美國(guó)鋁業(yè)公司達(dá)文波特軋制廠(Bavenport Works)提供。

      責(zé)任編輯:于璐

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