復(fù)合材料上層建筑建造工藝研究

高翠萍，彭勁松

（武昌造船廠集團(tuán)有限公司，武漢 430060）

復(fù)合材料上層建筑建造工藝研究

高翠萍，彭勁松

（武昌造船廠集團(tuán)有限公司，武漢 430060）

通過(guò)開(kāi)展上層建筑鋼骨架建造及復(fù)合材料殼板安裝工藝研究，掌握復(fù)合材料分塊敷設(shè)安裝方法，形成復(fù)合材料上層建筑建造工藝方案，為艦船復(fù)合材料上層建筑建造及改裝提供技術(shù)指導(dǎo)。

復(fù)合材料；鋼骨架建造；殼板安裝

0 引言

復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、無(wú)磁性、耐蝕性好及材料的可設(shè)計(jì)性等一系列優(yōu)良特性，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上引起了人們極大的關(guān)注。近年來(lái)，世界各國(guó)紛紛致力于復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)，許多國(guó)家對(duì)采用復(fù)合材料建造大型艦船上層建筑的可行性進(jìn)行了評(píng)估，由于玻璃鋼的屈服應(yīng)力約為鋼的10倍，因此在鋼結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料上層建筑連接處產(chǎn)生疲勞斷裂的可能性大大減小，同時(shí)復(fù)合材料上層建筑代替鋼質(zhì)上層建筑還可減輕重量，對(duì)于小型海軍艦艇（長(zhǎng)度小于20m）來(lái)說(shuō)，采用復(fù)合材料代替鋼可以減輕約65%的重量[1]。復(fù)合材料還可以通過(guò)特殊的添加劑達(dá)到頻率選擇、吸波(聲波、雷達(dá)波)的目的，具有良好的聲隱身和磁隱身性能。

我國(guó)的復(fù)合材料起始于1958年，第一艘玻璃鋼工作艇于當(dāng)年在上海誕生。這之后通過(guò)不斷的研制和開(kāi)發(fā)，已建造了大小不一的百余種型號(hào)玻璃鋼船艇，已造了200多艘；1992年在中國(guó)蛇口召開(kāi)第二屆國(guó)際高性能船舶會(huì)議，此后，廣東地區(qū)掀起研制復(fù)合材料高速客船的熱潮，先后研制了 40～100客位單體高速船，1995年還建成160客和225客高速雙體氣墊船，并與法國(guó)合作開(kāi)發(fā)了雙體機(jī)動(dòng)帆艇[2]。我國(guó)復(fù)合材料事業(yè)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，取得了一定的成績(jī)，打下了一定基礎(chǔ)，但總的來(lái)說(shuō)我們的發(fā)展速度還不夠快，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。

1 現(xiàn)狀分析

目前我國(guó)艦艇上層建筑為全焊接結(jié)構(gòu)，采用分段建造，反裝形式，在胎架上先進(jìn)行鋼殼板的拼焊，后進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)裝焊的建造模式。新型艦艇及改裝的上層建筑將由復(fù)合材料殼板取代鋼質(zhì)殼板，通過(guò)螺栓與結(jié)構(gòu)鋼骨架進(jìn)行連接。

以往艦艇上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的建造工藝大致為：先制造鋼骨架，再將鋼骨架運(yùn)至復(fù)合材料廠家，在鋼骨架上整體糊制玻璃鋼，待其成型后運(yùn)回，與艇體連接，該工藝可稱(chēng)為復(fù)合材料整體敷設(shè)安裝。這種工藝在運(yùn)輸過(guò)程中，極易造成鋼骨架的變形，耗費(fèi)人力、物力、影響生產(chǎn)周期。

現(xiàn)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的建造工藝：先制造上層建筑鋼骨架，同時(shí)預(yù)制復(fù)合材料殼板，將復(fù)合材料殼板分塊安裝于鋼骨架上，再將安裝好的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與艇體連接，這種工藝可稱(chēng)為復(fù)合材料分塊敷設(shè)安裝。

工廠具備復(fù)合材料整體敷設(shè)安裝經(jīng)驗(yàn)，缺少?gòu)?fù)合材料分塊敷設(shè)安裝方法和經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)上述情況，開(kāi)展復(fù)合材料上層建筑建造工藝研究，通過(guò)開(kāi)展復(fù)合材料上層建筑鋼骨架建造工藝研究，摸索上層建筑鋼骨架面板線(xiàn)型偏差控制技術(shù)，通過(guò)開(kāi)展復(fù)合材料殼板安裝工藝研究，掌握復(fù)合材料殼板裝配質(zhì)量控制技術(shù)，為艦船復(fù)合材料上層建筑結(jié)構(gòu)建造提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 鋼骨架線(xiàn)型偏差控制技術(shù)研究

2.1 不同裝配方法對(duì)鋼骨架線(xiàn)型偏差的影響研究

通過(guò)上層建筑鋼骨架單元體建造工藝試驗(yàn)，以?xún)煞N不同的裝配工藝制作的鋼骨架單元體在外觀尺寸、線(xiàn)型偏差上進(jìn)行對(duì)比分析，找到兩種不同裝配方法對(duì)鋼骨架線(xiàn)型偏差的影響規(guī)律，提出合適的上層建筑鋼骨架裝配方法。

2.1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樯蠈咏ㄖ摴羌軉卧w（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“單元體”）2個(gè)，分別編號(hào)A和B，主要由肋骨橫梁、縱桁、可拆板框架結(jié)構(gòu)組成，其中單元體A是采用正裝法焊接裝配（正裝法），單元體B是在工裝胎架上焊接裝配（反裝法）。測(cè)量單元體的外形尺寸（長(zhǎng)度、半寬、高度），使用全站儀測(cè)量單元體面板在測(cè)點(diǎn)處的位置坐標(biāo)，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的線(xiàn)型偏差值。線(xiàn)型偏差為測(cè)點(diǎn)三維模型理論坐標(biāo)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際坐標(biāo)的差值。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出單元體A、單元體B的外形尺寸與線(xiàn)型偏差如表1和表2所示。

表1 單元體外形尺寸(mm)

表2 單元體的線(xiàn)型偏差(mm)

2.1.3 結(jié)果分析

通過(guò)兩種不同的裝配方法（正裝法和反裝法）完成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在外觀尺寸和線(xiàn)型偏差上差異不大，說(shuō)明不同裝配方法對(duì)上層建筑鋼骨架線(xiàn)型偏差的影響不大。這是因?yàn)樯蠈咏ㄖ摴羌苎b配過(guò)程中焊縫較少，焊接工作量小，由焊接引起的變形不大。正裝法是采用裝配樣板控制結(jié)構(gòu)的線(xiàn)型，該方法操作簡(jiǎn)單，建造周期短，只適合于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而不適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大的結(jié)構(gòu)；反裝法是采用工裝胎架來(lái)控制結(jié)構(gòu)的線(xiàn)型，該方法對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，容易保證其建造精度，但是建造周期較長(zhǎng)。因此上層建筑鋼骨架可采用正裝法進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接裝配。

2.2 鋼骨架焊接變形控制技術(shù)研究

以正裝法完成建造的上層建筑鋼骨架模型為載體，通過(guò)合理地選擇焊接方法和規(guī)范，在建造過(guò)程中適當(dāng)進(jìn)行剛性固定，針對(duì)鋼骨架精度不符合之處進(jìn)行焊后矯正，使鋼骨架的焊后精度滿(mǎn)足技術(shù)要求。

2.2.1 合理地選擇焊接方法和規(guī)范

由于上層建筑鋼骨架以薄板居多，在焊接過(guò)程中常常產(chǎn)生各種焊接變形，故選用焊接線(xiàn)能量較小的CO2半自動(dòng)氣體保護(hù)焊方法來(lái)代替手工焊，這樣不但效率高，而且可以減少薄板的焊接變形[3]。

通過(guò)查閱相關(guān)焊接資料，借鑒以往的焊接工藝經(jīng)驗(yàn)，確定該焊接工藝參數(shù)（表3）。

由于單個(gè)肋骨結(jié)構(gòu)的面板與腹板較薄，其之間的角焊縫較長(zhǎng)，為避免扭曲等各種焊接變形，采用從中間向兩端進(jìn)行間斷焊接。

表3 CO2氣體保護(hù)焊規(guī)范

2.2.2 剛性固定法

由于上層建筑單個(gè)肋骨結(jié)構(gòu)鋼板較薄，線(xiàn)型簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，在裝焊過(guò)程中容易發(fā)生變形，故焊接之前，在適當(dāng)跨度上采用槽鋼進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)。定位焊之前，在腹板的適當(dāng)位置采用裝配馬板進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)[4]，防止焊接面板與腹板時(shí)發(fā)生變形。

為防止整個(gè)上層建筑鋼骨架在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形，在裝配時(shí)采用槽鋼和角鋼分別在結(jié)構(gòu)的橫向和垂向設(shè)置臨時(shí)支撐。

2.2.3 焊后校正

焊接之后，上層建筑的個(gè)別T型結(jié)構(gòu)焊接變形超出精度要求，此時(shí)采用氧乙炔火焰在腹板上進(jìn)行加熱，然后水冷。若采用此加熱方法都難以滿(mǎn)足技術(shù)要求，則再次采用機(jī)械加工方法進(jìn)行焊后校正，使之滿(mǎn)足技術(shù)要求。單個(gè)肋骨結(jié)構(gòu)和整個(gè)鋼骨架的局部焊接變形超出精度要求的位置，采用氧乙炔火焰進(jìn)行焊后矯正。

3 復(fù)合材料殼板安裝工藝研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)配鉆工藝技術(shù)研究

現(xiàn)場(chǎng)配鉆是以鋼骨架面板上的螺孔為基準(zhǔn)配鉆復(fù)合材料殼板上的螺孔，復(fù)合材料殼板是由高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料、增強(qiáng)聚氨酯材料組成，厚度為13mm，用M20×60mm不銹鋼沉頭螺釘連接到鋼骨架面板上。因此需要研究針對(duì)高強(qiáng)度、大厚度玻璃鋼開(kāi)沉頭孔的配鉆工藝。本研究以工藝試驗(yàn)的方式進(jìn)行，以復(fù)合材料上層建筑鋼骨架為試驗(yàn)載體，研究復(fù)合材料殼板螺孔定位方法、鉆孔方法和沉頭孔加工方法。

3.1.1 復(fù)合材料殼板螺孔定位方法研究

為了保證復(fù)合材料殼板與鋼骨架之間連接質(zhì)量，必須要求復(fù)合材料殼板與鋼骨架面板上相應(yīng)的螺孔同心。課題組提出了兩種方案：一是在復(fù)合材料殼板預(yù)組裝后用壓緊工裝（圖 1）夾緊，用劃規(guī)在殼板螺孔相應(yīng)位置劃線(xiàn)，然后將復(fù)合材料殼板取下，在機(jī)床加工螺孔；二是在復(fù)合材料殼板預(yù)組裝后用壓緊工裝夾緊，用定位工裝進(jìn)行螺孔定位（圖2）做好標(biāo)記，然后取下復(fù)合材料殼板用手電鉆加工螺孔。

圖1 用壓緊工裝進(jìn)行殼板預(yù)組裝

圖2 用定位工裝進(jìn)行螺孔定位圖

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行兩種方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明兩種方案都找到了鋼骨架面板上螺孔與復(fù)合材料殼板上螺孔的中心，第一種方案由于機(jī)床鉆頭鉆程與殼板表面不垂直導(dǎo)致弧形殼板上部分螺孔出現(xiàn)偏心，第二種方案通過(guò)人為控制、正交視角定位來(lái)保證鉆頭鉆程與殼板表面垂直，復(fù)合材料殼板上所有螺孔都與鋼骨架上相應(yīng)的螺孔同心。試驗(yàn)還表明，螺孔偏心小于5mm，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)銼來(lái)修正，使復(fù)合材料殼板上所有螺孔都與鋼骨架上相應(yīng)的螺孔同心[5]。

因此，選擇第二種方案，即采用定位工裝并打樣沖進(jìn)行復(fù)合材料殼板螺孔定位更合適。

3.1.2 復(fù)合材料殼板鉆孔方法研究

課題組分別作了三組測(cè)試，每組選取 50個(gè)螺孔。第一組選用Ф6的工具鋼鉆頭先鉆Ф6的通孔，然后將Ф6通孔加工成Ф20的通孔；第二組選用Ф20工具鋼鉆頭直接加工成Ф20螺孔；第三組選用Ф10的工具鋼鉆頭先鉆Ф10的通孔，然后將Ф10通孔加工成Ф20的通孔。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：第一組平均每鉆2個(gè)螺孔折斷1個(gè)Ф6的鉆頭；第二組Ф20的鉆頭鉆孔時(shí)燒鉆頭；第三組平均每鉆 10個(gè)螺孔鉆頭出現(xiàn)磨損無(wú)法繼續(xù)使用。此外，還用合金鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示，合金鉆頭硬度高脆性大，容易斷鉆頭。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)電鉆轉(zhuǎn)速對(duì)鉆孔效率有影響，轉(zhuǎn)速過(guò)快易燒鉆頭，轉(zhuǎn)速過(guò)慢損傷鉆頭。

因此，選擇第三種方案，即采用工具鋼鉆頭先鉆Ф10的孔，再擴(kuò)成Ф20的孔比較合適，鉆Ф10的孔轉(zhuǎn)速為240r/min，鉆Ф20的孔轉(zhuǎn)速為600r/min。3.1.3 復(fù)合材料殼板锪孔方法研究

M20螺孔鉆完后需要加工出Ф34、沉頭120°、深度為5mm的沉頭孔，由于復(fù)合材料殼板在安裝后要求螺帽與復(fù)合材料殼板表面平齊，沉頭孔深度將直接影響復(fù)合材料殼板安裝質(zhì)量。但手電鉆無(wú)法與Ф34的120°锪孔鉆匹配，因此課題組提出了兩種方案：第一組方案是利用Ф34工具鋼鉆頭加工沉頭孔；第二種方案是做一個(gè)連接頭將手電鉆與锪空鉆連接后，將螺釘插入Ф20孔內(nèi)，沿螺帽邊緣在殼板上劃線(xiàn)，然后以此線(xiàn)為基準(zhǔn)加工沉頭孔。

試驗(yàn)結(jié)果表明，第一種方案由于電鉆慣性力很大，沉頭孔深度無(wú)法控制并且部分沉頭孔與Ф20孔不同心；第二種方案所有沉頭孔深度都能達(dá)到保證螺帽與復(fù)合材料殼板表面平齊。

因此，選用第二種方案，即將螺釘插入Ф20孔內(nèi)，沿螺帽邊緣在殼板上劃線(xiàn)，以此線(xiàn)為基準(zhǔn)采用連接頭將手電鉆與锪孔鉆頭連接后進(jìn)行沉頭孔加工更合適。

3.2 復(fù)合材料殼板裝配工藝及質(zhì)量控制技術(shù)研究

本研究以工藝試驗(yàn)的方式進(jìn)行，以復(fù)合材料上層建筑鋼骨架為試驗(yàn)載體，應(yīng)用研究得出的現(xiàn)場(chǎng)配鉆技術(shù)研究復(fù)合材料殼板裝配工藝及質(zhì)量控制技術(shù)，最后提出了復(fù)合材料殼板安裝工藝，工藝流程如下：

1）殼板第一次加工。先測(cè)量鋼骨架尺寸，以框架板條中心線(xiàn)（比如橫梁中心線(xiàn)、縱桁中心線(xiàn)）為殼板邊界線(xiàn)，各邊再放2mm的余量，用記號(hào)筆在殼板表面劃上邊界線(xiàn)。用水切割機(jī)沿邊界線(xiàn)切割復(fù)合材料殼板。

2）殼板預(yù)組裝。按一定順序（如從艏端向艉端或從中間向兩端）將相鄰的復(fù)合材料殼板安放在鋼骨架上，用壓緊工裝壓緊固定，使殼板與鋼骨架緊密貼合；觀察殼板間隙與殼板平整度是否符合要求。

3）殼板第二次加工。取下間隙不符合要求的殼板，用電動(dòng)砂輪機(jī)打磨殼板邊緣至殼板重裝后間隙滿(mǎn)足要求；取下平整度不符合要求的殼板，用電動(dòng)砂輪機(jī)打磨殼板下表面（即殼板與鋼骨架的貼合面）至殼板重裝后平整度滿(mǎn)足要求。

4）殼板預(yù)組裝。

5）螺孔定位與配鉆。殼板預(yù)組裝滿(mǎn)足要求后，將螺孔定位工裝塞入鋼骨架面板的螺孔中，用手電鉆從殼板下表面向上表面鉆Ф10mm的通孔；取出螺孔定位工裝，再?gòu)臍ぐ迳媳砻娴耐滋幭蛳卤砻驺@Ф20mm的通孔；塞入沉頭螺釘，比劃螺帽邊線(xiàn)；取出沉頭螺釘，手電鉆換上Ф34mm的锪窩鉆頭，將Ф20mm的通孔沿著螺帽邊線(xiàn)加工成Ф34mm的沉頭孔。

6）锪孔。

7）殼板連接與安裝。螺孔配鉆完成后，將沉頭螺釘塞入殼板上的螺孔，螺釘穿過(guò)鋼骨架面板用螺母、墊圈鎖緊；先安裝殼板四角處的螺釘，再安裝殼板邊上的其余螺釘。注意待螺釘安裝完成后再取下壓緊工裝。

8）殼板涂裝。用丙酮擦拭清潔復(fù)合材料上層建筑表面，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)復(fù)合材料上層建筑表面進(jìn)行涂裝。

4 結(jié)論

通過(guò)鋼骨架線(xiàn)型偏差控制技術(shù)和鋼骨架焊接變形控制技術(shù)研究，明確了鋼骨架線(xiàn)型偏差控制方法，突破了復(fù)合材料殼板現(xiàn)場(chǎng)配鉆工藝技術(shù)和裝配工藝及質(zhì)量控制技術(shù)，形成了復(fù)合材料上層建筑鋼骨架建造工藝方案和復(fù)合材料殼板安裝工藝方案。該工藝方案可用于指導(dǎo)復(fù)合材料上層建筑建造工藝的編制。

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[2] 劉土光. 復(fù)合材料在軍船上的應(yīng)用展望[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2005(6):9-11.

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Research on Fabrication Technology of Composite Material Superstructure

Gao Cui-ping, Peng Jin-song
(Wuchang shipyard group co.,LTD. Wuhan 430060, China)

This paper predominates fixing method about composite material and shape fabrication technology by analyzing steel structure fabrication and lamella installation, in order to find out technical method for composite material fabricate and alteration.

composite material; steel structure fabrication; lamella installation

U668

A

1005-7560(2014)01-0021-04

高翠萍（1980-），女，碩士研究生，研究方向：振動(dòng)噪聲控制。