海洋材料(15):铝驱驶水面艇飞起来
2015年09月16日 15:8 6625次浏览 来源: 中国有色网 分类: 新材料前沿 作者: 王祝堂
铝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、强的抗蚀性、优秀的可回收性等等,使其成为天生的制造水翼艇、登陆艇、气垫船、双体船、地效翼船、无人水面艇等的上乘材料。没有铝,在同等装机功率条件下水面艇就不会跑得这么快,就不会这样疾驶如飞,有时会眼看着走私船逃跑而望海兴叹。
水翼艇
1965年美国建造了“普冷维尤”(AGEH-1)号水翼艇,这是美国最大的反潜试验艇。采用钢制全浸式水翼,除水翼系统外,其他部分全为铝合金焊接结构,共用铝材113.5t,其中大型挤压材90.8t,占80%。挤压材为5456-H311合金,厚板为5456-H321。艇长64.66m,宽12.2m,吃水1.83m,排水量320t,航速92.5km/h。
上世纪70年代美国海军建造的5艘导弹水翼巡逻艇,称为“帕加苏斯(Pegasus)”号的原型艇于1974年11月下水。在该艇的壳体内部舱壁和甲板的板材和防扰材中,金属惰气保护焊缝长度超过3.3km。在建造时用一台牵引型的线焊机对焊铝板,制成大的平面分段,防扰材在定位焊后再进行手工焊。为了制造工序更有效,设计了一种由计算机控制的自动焊工作台。
美国“马克Ⅱ(MarkⅡ)”号水翼艇是70t的水翼巡逻炮艇PGH-1的大型化和改进型。PGH-1型艇于1968年下水,在美国海军和海岸警卫队服役,艇体材料为5456合金,因为它的焊接接头强度最高。板材状态为H116和H117,挤压材状态为H111,以5356合金作焊丝,因为它有高的抗裂性,采用的焊接工艺:金属极惰性气体保护脉冲电弧焊,射流电弧焊,钨极惰气保护焊。
波音公司建造了一批批航速为80km/h的100t级的水翼艇,它们是喷翼型的民用艇,是从美国海军水翼艇演变来的。壳体和上层结构为全铝焊接的,采用5456-H116或H117合金。对焊缝检验很严格,全部经过X射线探伤、超声波检验和着色检验,着色检测前应对检查部位作侵蚀处理,以除净氧化膜。
前苏联是世界上成批生产水翼艇的领先国家之一,俄罗斯继承了这一传统,至2013年已制造200多艘,还出口多艘。
中国用5A01合金板材、型材、锻件和焊丝建造“飞鱼”水翼艇,采用半自动熔化极脉冲氩弧焊和钢制回转胎架-拉马装备。5A01合金的化学成分(质量%):0.40(Si+Fe)、0.10Cu、0.30~0.7Mn、6.0~7.0Mg、0.10~0.20Cr、0.25Zn、0.15Ti、0.10~0.20Zr,其他杂质每个0.05,总计0.15,其余为Al。
登陆艇
登陆艇在作战中起着极为重要的作用,美国的“LARC-15”登陆艇是用铝合金建造的,艇长13.7m、宽3.66m、载重量15t,水中航速18.5km/h,陆上航速55.5km/h,材料为5086-H112合金,焊接结构,还用了一些5083-H112和6061-T6合金。美国建造的“SKMR-1”反潜和登陆气垫船为全铝结构,船体主要材料为5456合金。
上世纪60年代初,中国开始批量制造水翼快艇,艇体用2A12-T4铝合金,还用此合金建造了一批导弹快艇的上层建筑、围壁、发射筒和发射架外罩、炮座等,用铝合金制造的结构还有:钢甲板中部的嵌补甲板,仓内壁、平台。炮艇、猎潜艇上层建筑以及中型舰艇的仓壁、仓面属具等也应用了铝合金,其中一部分为5XXX系合金焊接结构。
气垫船
气垫船多是用铝合金打造的,其中最值得一提的是1976年由罗尔(Rohr)工业公司承包的一项设计制造美国海军3000t、148km/h表面效应船“3KSES”的合同,该船为全铝焊接结构。在选材时,可能选用5456-H116或H117,也有可能选用强度高的Al-Cu-Mn系2219合金制造焊接结构,而非焊件则选用超强度的Al-Zn-Mg-Cu系的7075-T73合金。这两种合金在航空航天器制造中是顶梁柱材料,但在海洋结构中却不是主要材料,因为其抗腐蚀性能尚有待考核,当时美国还应用了一种新研制的牌号为CS19的合金,其镁含量高达8.7%,它的焊接接头的典型屈服强度为230N/mm2,而常规的5456合金的只不过150N/mm2~170N/mm2。
“3KSES”气垫船是当时吨位最大的军用全铝焊壳船,对选材极为慎重。5456-H116(117)合金终因力学性能、抗蚀性、可焊性及成本方面的综合优势而被评为最佳的主体壳体板材结构材料,而挤压材则选用5456-112合金,因其强度比5086-H112合金的大19%,H112状态合金组织中没有会使合金在海洋环境中出现剥落腐蚀敏感性的β相晶界连续网络。
上世纪80年代后期西班牙海军建造的36t气垫船原型用于试验和鉴定,是用铆接方法建造的。前苏联于此期间用5XXX系合金建造了“火焰”号气垫船。
英国于上世纪90年代建造了全焊接结构的气垫船AP1-88,是当时铝壳气垫船的最新发展,壳体采用Al-4.5%Mg的N8合金(5083合金),型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金(6082合金)。为了避免横向焊缝和减少邻近焊缝的热影响,型材为深I型的,而且尽量宽一些与长一些。2004年3月加拿大海岸警卫队向英国气垫船公司定购了一批AP1-88型气垫船。
前些年设计的气垫艇与早期的相比有很大变化,包括使用空冷柴油机取代燃气轮机和用焊接铝结构取代较复杂的玻璃钢结构,AP1-88型和“虎”级气垫船就具有这些设计特征。“虎-40”于1986年4月开始设计,同年12月试航,总长17.25m,宽7.625m、高5.375m,除用作客船外,还可以用作内河和海岸巡罗逻艇以及工作艇等。
上世纪七八十年代中国用7A19合金、5A30合金等建造了全垫式气垫船和侧壁式气垫船,它们采用较薄的铝合金板材,厚1~3mm,此外,还用了多种规格的型材。由于板材较薄,所以多数气垫船采用铆接连接,但是也有全焊接的。
双体船
英国麦克泰公司为英国海军设计建造了第一批装有升降舵的铝壳双体船,有许多引人注目的特点:宽绰而稳定的甲板,极低航速时良好的机动性,良好的航向稳定性,阻力小。
法国梅泰罗工业系统公司设计了一种军用多用途铝壳双体船,总长25m,宽10m,吃水0.7~1m,空船净质量45t,载重18t,主机为2台895kW柴油机,喷水推进,最大航速55.5km/h。
在挪威和瑞典用铝合金建造双体船很盛行,如挪威设计的10艘高速双体船全部采用对称船体,每艘载客449人,分别以59.2km/h和44.4km/h的航速横渡海峡。
日本用铝合金建造的“海梭”(Marine Shuttle)号小水线面双体船长41m,航速63km/h,是可载客280人的非对称型高速双体渡船。
中国国内航线使用的一些双体船有进口的,也有国内制造的。
地效翼船
地效翼船是介于舰船与飞机之间的利用类似的表面效应产生的气动升力,支撑艇重离开水面低飞,偶尔能浮水航行的高技术新型舰船。地效翼船航速快,最快的可达555km/h,而且航行性好,具有良好的两栖性,能在水上、陆地起降,在波浪上方低空飞行,受干扰少,又比较安全,且能跨越沼泽、冰层、雷区、障碍物等,可广泛用于军事行动,是快速登陆的必备舰船,常与航母、两栖攻击舰配套,在登陆作战中极具突击性。此外,地效翼船的经济性好,油耗比常规飞机低30%以上,而且比飞机安全得多,造价也相对便宜,在经济和军事方面都有大的效益。
地效翼船的艇体必须用铝材制造,才能在当前的技术条件下取得最佳的效益,并且采用焊接结构,俄罗斯的较大吨位地效翼船大都是用可焊铝合金制造的,而且要求材料的屈服强度大于300N/mm2,抗拉强度大于400N/mm2,同时要求材料有良成形工艺性能,相当强的耐腐蚀性能等。
美国的新型铝合金无人水面艇
拥有大量人口且对各国经济发展关系重大的近海地带是众多国家海军关注的焦点。近海水域靠近陆地,环境复杂,在此处作战面临更加多和多样的威胁,不仅要与对方的水面舰艇和潜艇交战,还要当心不知布放在何处的水雷,陆基航空兵和岸基导弹发射装置也是不可忽视的威胁。出于提高效率和减少伤亡等原因,无人水面艇受到越来越多国家的重视,成为有人平台的补充中替代品之一。美国近年来在近海作战无人水面艇的发展上取得了相当大的进展,居世界先进水平。
下图为美国海军研发的全铝合金“海狐”无人水面舰艇,应用前景十分灿烂,可执行后勤保证和再补给等任务;可用于水文调查、侦察和欺骗任务;可配备导弹对目标进行精确打击,协助陆军在内陆湖泊作战;可进行浅海反潜、反水雷、兵力保护、海岸巡逻、打击海盗等任务。现在的无人水面舰艇的长度为7~15m,负载1~3t,用柴油机驱动和喷水推进,功率70~600kW,航速有低的,也有高的,18.5~64.75km/h等。
2009年美国爱达公司(AIDA)建造的巡洋舰共有12块大甲板,其中最上层的2块是铝合金的,上层甲板之所以选用铝合金,是可以提高舰的稳定性,保持尽可能低的重心。这两块大铝甲板及所用的22000个铝合金螺栓是用林德气体公司(Linde AC)的专利保护气体Varigon He 30S MIG法焊接的。Varigon He 30S气体是含有30ppm氧的氦气,氧的添加有助于稳定电弧和辅助设备点火,从而可获得更加狭窄的热影响区,焊接边缘也更加整齐,这对焊接缺口脆性合金极为有利,对焊接厚工件可避免孔隙出现和焊合不足等缺陷。
2011~2014年美国奥斯达尔公司(Austal)为美国海军建造了10条全铝双体船(Catamaran Fleet),还将建造其他高速舰与商用船只,所用铝板及其他铝材由美国铝业公司提供,除用于制造舰船外,还用于建造栈桥及其他设施。
2012年该公司制造了一艘轻型滨海全铝舰(LCS,Lithoral Combat Ship),名为“称罗纳多号”(Coronado),长127m,铝的用量约460t,据称在全世界制造的这类舰艇中是用铝量最多的,其中用得最多的是5083合金,由美国铝业公司达文波特轧制厂(Bavenport Works)提供。
责任编辑:于璐
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