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(mén)市南洋船舶工程有限公司，江門(mén)529145）

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翼型態(tài)，通過(guò)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，左右結構對稱(chēng)，以保證左右兩側的水流壓力一致，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(wú)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，對其進(jìn)行精度控制研究，探索舵葉制作過(guò)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船建造中運用，取得良好的效果。

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

圖1 舵葉結構示意圖

為了改變這一狀況，對舵葉制作精度控制進(jìn)行研究，通過(guò)加放焊接收縮量和反變形，并通過(guò)尺寸檢測、加強支撐以及焊接順序控制，減少舵葉變形量，降低火調工作難度，提高舵葉建造精度，從而實(shí)現降本增效。圖1 舵葉結構示意圖

舵葉制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)焊接及火調作業(yè)之后，其外觀(guān)尺寸會(huì )產(chǎn)生一定量的收縮。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)數據收集，舵葉焊接火調后高度方向收縮13～18 mm、長(cháng)度方向收5～6 mm，根據造船質(zhì)量標準對應的舵裝置建造標準要求，其高度標準偏差為±4 mm、長(cháng)度方向標準偏差為±4 mm，制作過(guò)程中的收縮導致舵葉尺寸精度難以保證，為了保證舵葉總體精度尺寸，對其焊接火調后的收縮量進(jìn)行研究。

通過(guò)對內部每檔尺寸、每個(gè)階段進(jìn)行測量、數據對比及分析，發(fā)現舵葉高度方向每檔收縮值約2 mm、長(cháng)度方向每檔收縮值約1 mm，因此確定對舵葉建造過(guò)程中加放適量的補償量來(lái)抵消焊接及火調而導致的收縮值。具體實(shí)施措施為：在舵葉板件下料時(shí)，四周加設30 mm 粗余量；
板件經(jīng)過(guò)加工成型后，根據地樣十字線(xiàn)對其進(jìn)行上胎定位；
上胎板內部同樣根據地樣十字線(xiàn)進(jìn)行內部結構劃線(xiàn)，劃線(xiàn)時(shí)內部每檔加放補償量，高度方向為每檔結構+2 mm、船長(cháng)方向為每檔結構+1 mm（見(jiàn)圖2）；
舵葉內部結構裝配時(shí)按線(xiàn)進(jìn)行裝配，注意其內部結構同樣的按對應尺寸加放補償量；
通過(guò)幾條船焊接及火調后的數據測量，其高度方向偏差在±4 mm 內、長(cháng)度方向偏差在±2 mm 內，總體精度滿(mǎn)足公差要求。通過(guò)綜合驗證，該補償量加放值符合要求，在舵葉制造工藝要求中將其固化，在現場(chǎng)施工中執行。

圖2 舵葉補償量加放示意圖

通常舵葉焊接后產(chǎn)生扭曲變形，需進(jìn)行火調作業(yè)。為了扭轉這一狀況，通過(guò)實(shí)測數據分析研究，采用控制建造胎架反變形方案，即在舵葉的胎架建造過(guò)程中加放反變形來(lái)解決該問(wèn)題：
首先選定縱橫結構交叉點(diǎn)為數據收集點(diǎn)，測量上胎后和舵葉焊后的胎架面水平數據?，F場(chǎng)收集了JNS176 船、JNS177 船舵葉焊前、焊后測量數據，測量位置從下口向上口依次記為位置1～9，測量數據見(jiàn)表1 所示。

表1 舵葉完工精度標準要求

將所收集的反變形數據進(jìn)行整理，繪成舵葉變形折線(xiàn)圖（見(jiàn)圖3），從圖3 可知：舵葉焊接后，主要呈現中拱狀態(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(mǎn)足標準公差要求，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(xiàn)圖

為了保證舵孔中心及總體精度，現場(chǎng)需進(jìn)行火調作業(yè)，作業(yè)時(shí)間約4～6 天，耗費動(dòng)能且效率低下，嚴重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

通過(guò)對數據的統計分析，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，緊貼胎架一側的板件距離基準面間距減小5 mm 進(jìn)行設置，其他位置加放反變形數據（見(jiàn)圖4）；
偏差值要求控制在±1 mm 內，保證板件平緩過(guò)渡，板件鋪板后對上胎板水平進(jìn)行檢驗，滿(mǎn)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，測量舵葉中心偏差值，整體偏差在3 mm 內，較之前有較大提升，但還存在以下問(wèn)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，局部區域變形無(wú)法加放到位；
（2）焊接方向、焊接參數不規律，影響變形趨勢不一致；
（3）在舵葉尾口圓鋼處存在變形，仍需進(jìn)行火調作業(yè)。

圖4 舵葉反變形加放示意圖

通過(guò)對后續船舵葉建造過(guò)程的跟蹤，將反變形加放要求進(jìn)行落實(shí)，對存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：板件加工過(guò)程中，對需加設的反變形板件進(jìn)行預加工，解決了板件上胎較難矯平問(wèn)題；
在后續舵葉制造過(guò)程中，對施工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并督促現場(chǎng)按要求施工，舵孔中心處平面度精度偏差控制在±1 mm 內，符合公差要求，僅舵葉四角局部位置需要火調處理，總體精度水平提高，工作效率顯著(zhù)提升，達到預期研究目標。

舵葉制作過(guò)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上，按補償量值進(jìn)行結構劃線(xiàn)，重點(diǎn)是對鑄鋼件定位尺寸進(jìn)行控制，并對其焊前進(jìn)行支撐加強。

鑄鋼件上胎架定位時(shí)，需采用拉鋼絲繩通過(guò)上、下鑄鋼件中心線(xiàn)來(lái)定位；
鑄鋼件吊上胎架后，按圖5所示立標桿、拉鋼絲進(jìn)行測量定位鑄鋼件；
定位時(shí)，以舵桿中心線(xiàn)為基準，測量上、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；
定位完成后對其進(jìn)行精度測量。

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材，注意上、下鑄鋼件之間的距離要放8 mm 焊接收縮補償量，同時(shí)下鑄鋼件向上放5 mm 反變形；
舵葉完工后，進(jìn)行精度測量，若出現超差則進(jìn)行火調處理。表2 為舵葉完工測量標準公差。

表2 舵葉完工精度標準要求

舵葉主要由鑄鋼件、D 級、B 級和A 級鋼組成。由于內部結構多、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(guò)程，應遵循合理的焊接順序：從中間向兩端、從內向外逐步焊接；
現場(chǎng)安排雙人對稱(chēng)施工；
先焊接外板對接焊縫，再焊接構件立角焊縫，后對與外板的角接縫進(jìn)行焊接；
在焊接右側封板前，先將對接焊縫焊接完，最后才焊接塞焊孔，塞焊孔同樣從中間開(kāi)始向四周對稱(chēng)施焊。

鑄鋼件焊前應進(jìn)行120 C°～150 C°預熱，范圍是焊縫邊緣150 mm 內；
預熱溫度應均勻，嚴禁在某個(gè)部位停留時(shí)間過(guò)長(cháng)；
鑄鋼件要求一次性焊接完，焊后應立即采用符合要求的保溫材料對焊縫進(jìn)行保溫緩冷；
焊縫冷卻后對鑄件周邊焊縫進(jìn)行100%MT 無(wú)損探傷，其它外觀(guān)及內部質(zhì)量檢驗按船級社標準。

施焊時(shí)特別注意采用相應的焊接電流進(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)，根據板厚確定焊道層數，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，并按規定做好焊接過(guò)程中焊工、時(shí)間、溫度記錄。

綜上所述，通過(guò)對舵葉制作過(guò)程精度控制的研究，確定了舵葉制作的補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(guò)程中進(jìn)行舵孔間距控制，增設圓管加強和焊接收縮量，并在施工過(guò)程中明確焊接工藝要求，通過(guò)在生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)施應用及優(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(lèi)似舵葉建造提供經(jīng)驗借鑒。