40 000 DWT 散貨船舵葉制作精度控制研究

劉振宇，陳 威，鄧 滔

（江門市南洋船舶工程有限公司，江門529145）

1 前言

船舶舵葉是安裝在船尾操縱航向的裝置，主要由鋼板焊接成空心機(jī)翼型態(tài)，通過操縱舵葉可以改變或者保持船舶航行方向。在舵葉O°時(shí)，其橫剖面保持與船體中心面垂直，左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以保證左右兩側(cè)的水流壓力一致，不會(huì)產(chǎn)生附加力矩影響船的操縱及航行性能。

舵葉制作精度要求較高，需保證整個(gè)舵葉中心面無扭曲。本文以本司建造的40 000 DWT 靈便型散貨船舵葉制作為案例，對(duì)其進(jìn)行精度控制研究，探索舵葉制作過程中精度控制方法及工藝技術(shù)措施，并將其研究成果在后續(xù)船建造中運(yùn)用，取得良好的效果。

2 舵葉的特征及建造精度控制難點(diǎn)

40 000 DWT 靈便型散貨船的舵葉，是含上下鑄鋼件的箱型結(jié)構(gòu)。以單邊側(cè)板為胎架面進(jìn)行臥造，鋼板厚度最大達(dá)34 mm，尾端40 mm 圓鋼嵌入焊接，另一側(cè)板進(jìn)行塞焊或開坡口單面焊，內(nèi)含上下舵承鑄鋼件（見圖1）；其內(nèi)部存在大量的焊接工作，焊后舵葉四角易扭曲變形，需要火調(diào)作業(yè)進(jìn)行調(diào)正，工作難度大，很難保證總體精度。

圖1 舵葉結(jié)構(gòu)示意圖

為了改變這一狀況，對(duì)舵葉制作精度控制進(jìn)行研究，通過加放焊接收縮量和反變形，并通過尺寸檢測(cè)、加強(qiáng)支撐以及焊接順序控制，減少舵葉變形量，降低火調(diào)工作難度，提高舵葉建造精度，從而實(shí)現(xiàn)降本增效。圖1 舵葉結(jié)構(gòu)示意圖

3 舵葉補(bǔ)償量施放

舵葉制造過程中經(jīng)過焊接及火調(diào)作業(yè)之后，其外觀尺寸會(huì)產(chǎn)生一定量的收縮。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集，舵葉焊接火調(diào)后高度方向收縮13～18 mm、長(zhǎng)度方向收5～6 mm，根據(jù)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的舵裝置建造標(biāo)準(zhǔn)要求，其高度標(biāo)準(zhǔn)偏差為±4 mm、長(zhǎng)度方向標(biāo)準(zhǔn)偏差為±4 mm，制作過程中的收縮導(dǎo)致舵葉尺寸精度難以保證，為了保證舵葉總體精度尺寸，對(duì)其焊接火調(diào)后的收縮量進(jìn)行研究。

通過對(duì)內(nèi)部每檔尺寸、每個(gè)階段進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)對(duì)比及分析，發(fā)現(xiàn)舵葉高度方向每檔收縮值約2 mm、長(zhǎng)度方向每檔收縮值約1 mm，因此確定對(duì)舵葉建造過程中加放適量的補(bǔ)償量來抵消焊接及火調(diào)而導(dǎo)致的收縮值。具體實(shí)施措施為：在舵葉板件下料時(shí)，四周加設(shè)30 mm 粗余量；板件經(jīng)過加工成型后，根據(jù)地樣十字線對(duì)其進(jìn)行上胎定位；上胎板內(nèi)部同樣根據(jù)地樣十字線進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃線，劃線時(shí)內(nèi)部每檔加放補(bǔ)償量，高度方向?yàn)槊繖n結(jié)構(gòu)+2 mm、船長(zhǎng)方向?yàn)槊繖n結(jié)構(gòu)+1 mm（見圖2）；舵葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配時(shí)按線進(jìn)行裝配，注意其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣的按對(duì)應(yīng)尺寸加放補(bǔ)償量；通過幾條船焊接及火調(diào)后的數(shù)據(jù)測(cè)量，其高度方向偏差在±4 mm 內(nèi)、長(zhǎng)度方向偏差在±2 mm 內(nèi)，總體精度滿足公差要求。通過綜合驗(yàn)證，該補(bǔ)償量加放值符合要求，在舵葉制造工藝要求中將其固化，在現(xiàn)場(chǎng)施工中執(zhí)行。

圖2 舵葉補(bǔ)償量加放示意圖

4 舵葉反變形加放

通常舵葉焊接后產(chǎn)生扭曲變形，需進(jìn)行火調(diào)作業(yè)。為了扭轉(zhuǎn)這一狀況，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究，采用控制建造胎架反變形方案，即在舵葉的胎架建造過程中加放反變形來解決該問題： 首先選定縱橫結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)為數(shù)據(jù)收集點(diǎn)，測(cè)量上胎后和舵葉焊后的胎架面水平數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)收集了JNS176 船、JNS177 船舵葉焊前、焊后測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量位置從下口向上口依次記為位置1～9，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 舵葉完工精度標(biāo)準(zhǔn)要求

將所收集的反變形數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪成舵葉變形折線圖（見圖3），從圖3 可知：舵葉焊接后，主要呈現(xiàn)中拱狀態(tài)，在FR1 肋位鑄件位置中拱5～7 mm；四角有局部扭曲變形，舵孔中心處凸起5 mm 左右。焊后精度不滿足標(biāo)準(zhǔn)公差要求，特別是舵孔中心超差直接影響舵葉的安裝及實(shí)用功能。

圖3 舵葉焊接前后變形折線圖

為了保證舵孔中心及總體精度，現(xiàn)場(chǎng)需進(jìn)行火調(diào)作業(yè)，作業(yè)時(shí)間約4～6 天，耗費(fèi)動(dòng)能且效率低下，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定在舵葉胎架面增加反變形，即在上胎板鋪板前在胎架理論高度值上加放反變形值：在舵葉中心下舵承鑄鋼件位置處加放5 mm反變形，即以舵葉中心面為基準(zhǔn)，緊貼胎架一側(cè)的板件距離基準(zhǔn)面間距減小5 mm 進(jìn)行設(shè)置，其他位置加放反變形數(shù)據(jù)（見圖4）；偏差值要求控制在±1 mm 內(nèi)，保證板件平緩過渡，板件鋪板后對(duì)上胎板水平進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足要求后利用碼板與胎架板進(jìn)行焊接固定，最后進(jìn)行裝配焊接作業(yè)；焊接完成后，測(cè)量舵葉中心偏差值，整體偏差在3 mm 內(nèi)，較之前有較大提升，但還存在以下問題：（1）舵葉胎架加放反變形后，因板厚較大，局部板件裝配時(shí)難以矯平，裝配難度增加，局部區(qū)域變形無法加放到位；（2）焊接方向、焊接參數(shù)不規(guī)律，影響變形趨勢(shì)不一致；（3）在舵葉尾口圓鋼處存在變形，仍需進(jìn)行火調(diào)作業(yè)。

圖4 舵葉反變形加放示意圖

通過對(duì)后續(xù)船舵葉建造過程的跟蹤，將反變形加放要求進(jìn)行落實(shí)，對(duì)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：板件加工過程中，對(duì)需加設(shè)的反變形板件進(jìn)行預(yù)加工，解決了板件上胎較難矯平問題；在后續(xù)舵葉制造過程中，對(duì)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并督促現(xiàn)場(chǎng)按要求施工，舵孔中心處平面度精度偏差控制在±1 mm 內(nèi)，符合公差要求，僅舵葉四角局部位置需要火調(diào)處理，總體精度水平提高，工作效率顯著提升，達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。

5 舵葉尺寸精度控制

舵葉制作過程中尺寸控制尤為重要，在保證胎架板反變形已加放的基礎(chǔ)上，按補(bǔ)償量值進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃線，重點(diǎn)是對(duì)鑄鋼件定位尺寸進(jìn)行控制，并對(duì)其焊前進(jìn)行支撐加強(qiáng)。

鑄鋼件上胎架定位時(shí)，需采用拉鋼絲繩通過上、下鑄鋼件中心線來定位；鑄鋼件吊上胎架后，按圖5所示立標(biāo)桿、拉鋼絲進(jìn)行測(cè)量定位鑄鋼件；定位時(shí)，以舵桿中心線為基準(zhǔn)，測(cè)量上、下鑄鋼件四個(gè)端面的孔半徑偏差，焊前孔半徑偏差控制在±1 mm；要求鑄鋼件半寬偏差≤3 mm 的情況下，孔的半徑要有足夠的鏜孔余量，盡量做到鑄鋼件半寬偏差和孔的半徑偏差均≤2 mm；定位完成后對(duì)其進(jìn)行精度測(cè)量。

圖5 舵葉尺寸精度控制要求

上、下鑄鋼件定位精度符合要求后，在兩個(gè)鑄鋼件間增加圓管加強(qiáng)材，注意上、下鑄鋼件之間的距離要放8 mm 焊接收縮補(bǔ)償量，同時(shí)下鑄鋼件向上放5 mm 反變形；舵葉完工后，進(jìn)行精度測(cè)量，若出現(xiàn)超差則進(jìn)行火調(diào)處理。表2 為舵葉完工測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)公差。

表2 舵葉完工精度標(biāo)準(zhǔn)要求

6 舵葉焊接控制

舵葉主要由鑄鋼件、D 級(jí)、B 級(jí)和A 級(jí)鋼組成。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)多、焊縫密集且焊腳尺寸較大，其整體要求變形小、水密性高，需要重點(diǎn)控制焊接順序、焊接電流及焊接方法，減少變形。

舵葉的施工過程，應(yīng)遵循合理的焊接順序：從中間向兩端、從內(nèi)向外逐步焊接；現(xiàn)場(chǎng)安排雙人對(duì)稱施工；先焊接外板對(duì)接焊縫，再焊接構(gòu)件立角焊縫，后對(duì)與外板的角接縫進(jìn)行焊接；在焊接右側(cè)封板前，先將對(duì)接焊縫焊接完，最后才焊接塞焊孔，塞焊孔同樣從中間開始向四周對(duì)稱施焊。

鑄鋼件焊前應(yīng)進(jìn)行120 C°～150 C°預(yù)熱，范圍是焊縫邊緣150 mm 內(nèi)；預(yù)熱溫度應(yīng)均勻，嚴(yán)禁在某個(gè)部位停留時(shí)間過長(zhǎng)；鑄鋼件要求一次性焊接完，焊后應(yīng)立即采用符合要求的保溫材料對(duì)焊縫進(jìn)行保溫緩冷；焊縫冷卻后對(duì)鑄件周邊焊縫進(jìn)行100%MT 無損探傷，其它外觀及內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)按船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)。

施焊時(shí)特別注意采用相應(yīng)的焊接電流進(jìn)行打底焊接，避免打底焊道產(chǎn)生裂紋。表3 是CO2半自動(dòng)單面焊在對(duì)接施焊時(shí)電流電壓要求。

表3 CO2 半自動(dòng)焊電流電壓要求

焊接時(shí)，根據(jù)板厚確定焊道層數(shù)，盡量采用小電流焊接以減少焊接變形，層間焊縫填充厚度應(yīng)控制在5 mm 以下；由于采用多層多道焊，必須保證層間溫度在100 C°～250 ℃之間，并按規(guī)定做好焊接過程中焊工、時(shí)間、溫度記錄。

7 結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)舵葉制作過程精度控制的研究，確定了舵葉制作的補(bǔ)償量和上胎反變形加放值，舵葉的變形量減少，整體尺寸符合要求。同時(shí)，在建造過程中進(jìn)行舵孔間距控制，增設(shè)圓管加強(qiáng)和焊接收縮量，并在施工過程中明確焊接工藝要求，通過在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用及優(yōu)化改進(jìn)，舵葉完工整體精度得到保證，工作效率大幅提升，為船舶類似舵葉建造提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。