復合材料上層建筑建造工藝研究

高翠萍，彭勁松

（武昌造船廠集團有限公司，武漢 430060）

復合材料上層建筑建造工藝研究

高翠萍，彭勁松

（武昌造船廠集團有限公司，武漢 430060）

通過開展上層建筑鋼骨架建造及復合材料殼板安裝工藝研究，掌握復合材料分塊敷設安裝方法，形成復合材料上層建筑建造工藝方案，為艦船復合材料上層建筑建造及改裝提供技術指導。

復合材料；鋼骨架建造；殼板安裝

0 引言

復合材料由于具有質量輕、強度大、無磁性、耐蝕性好及材料的可設計性等一系列優良特性，在理論研究和實際應用上引起了人們極大的關注。近年來，世界各國紛紛致力于復合材料的研究開發，許多國家對采用復合材料建造大型艦船上層建筑的可行性進行了評估，由于玻璃鋼的屈服應力約為鋼的10倍，因此在鋼結構與復合材料上層建筑連接處產生疲勞斷裂的可能性大大減小，同時復合材料上層建筑代替鋼質上層建筑還可減輕重量，對于小型海軍艦艇（長度小于20m）來說，采用復合材料代替鋼可以減輕約65%的重量[1]。復合材料還可以通過特殊的添加劑達到頻率選擇、吸波(聲波、雷達波)的目的，具有良好的聲隱身和磁隱身性能。

我國的復合材料起始于1958年，第一艘玻璃鋼工作艇于當年在上海誕生。這之后通過不斷的研制和開發，已建造了大小不一的百余種型號玻璃鋼船艇，已造了200多艘；1992年在中國蛇口召開第二屆國際高性能船舶會議，此后，廣東地區掀起研制復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，并與法國合作開發了雙體機動帆艇[2]。我國復合材料事業經歷了40多年的發展，取得了一定的成績，打下了一定基礎，但總的來說我們的發展速度還不夠快，與發達國家還有一定的差距。

1 現狀分析

目前我國艦艇上層建筑為全焊接結構，采用分段建造，反裝形式，在胎架上先進行鋼殼板的拼焊，后進行加強結構裝焊的建造模式。新型艦艇及改裝的上層建筑將由復合材料殼板取代鋼質殼板，通過螺栓與結構鋼骨架進行連接。

以往艦艇上復合材料結構的建造工藝大致為：先制造鋼骨架，再將鋼骨架運至復合材料廠家，在鋼骨架上整體糊制玻璃鋼，待其成型后運回，與艇體連接，該工藝可稱為復合材料整體敷設安裝。這種工藝在運輸過程中，極易造成鋼骨架的變形，耗費人力、物力、影響生產周期。

現在復合材料結構的建造工藝：先制造上層建筑鋼骨架，同時預制復合材料殼板，將復合材料殼板分塊安裝于鋼骨架上，再將安裝好的復合材料結構與艇體連接，這種工藝可稱為復合材料分塊敷設安裝。

工廠具備復合材料整體敷設安裝經驗，缺少復合材料分塊敷設安裝方法和經驗。針對上述情況，開展復合材料上層建筑建造工藝研究，通過開展復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型偏差控制技術，通過開展復合材料殼板安裝工藝研究，掌握復合材料殼板裝配質量控制技術，為艦船復合材料上層建筑結構建造提供技術指導。

2 鋼骨架線型偏差控制技術研究

2.1 不同裝配方法對鋼骨架線型偏差的影響研究

通過上層建筑鋼骨架單元體建造工藝試驗，以兩種不同的裝配工藝制作的鋼骨架單元體在外觀尺寸、線型偏差上進行對比分析，找到兩種不同裝配方法對鋼骨架線型偏差的影響規律，提出合適的上層建筑鋼骨架裝配方法。

2.1.1 試驗方法

試驗模型為上層建筑鋼骨架單元體（以下簡稱“單元體”）2個，分別編號A和B，主要由肋骨橫梁、縱桁、可拆板框架結構組成，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）。測量單元體的外形尺寸（長度、半寬、高度），使用全站儀測量單元體面板在測點處的位置坐標，計算出測點的線型偏差值。線型偏差為測點三維模型理論坐標與試驗模型實際坐標的差值。

2.1.2 試驗結果

根據測量結果得出單元體A、單元體B的外形尺寸與線型偏差如表1和表2所示。

表1 單元體外形尺寸(mm)

表2 單元體的線型偏差(mm)

2.1.3 結果分析

通過兩種不同的裝配方法（正裝法和反裝法）完成的試驗模型，在外觀尺寸和線型偏差上差異不大，說明不同裝配方法對上層建筑鋼骨架線型偏差的影響不大。這是因為上層建筑鋼骨架裝配過程中焊縫較少，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構的線型，該方法操作簡單，建造周期短，只適合于簡單結構，而不適合結構復雜，焊接工作量大的結構；反裝法是采用工裝胎架來控制結構的線型，該方法對于結構復雜，焊接工作量大的結構來說，容易保證其建造精度，但是建造周期較長。因此上層建筑鋼骨架可采用正裝法進行結構焊接裝配。

2.2 鋼骨架焊接變形控制技術研究

以正裝法完成建造的上層建筑鋼骨架模型為載體，通過合理地選擇焊接方法和規范，在建造過程中適當進行剛性固定，針對鋼骨架精度不符合之處進行焊后矯正，使鋼骨架的焊后精度滿足技術要求。

2.2.1 合理地選擇焊接方法和規范

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

通過查閱相關焊接資料，借鑒以往的焊接工藝經驗，確定該焊接工藝參數（表3）。

由于單個肋骨結構的面板與腹板較薄，其之間的角焊縫較長，為避免扭曲等各種焊接變形，采用從中間向兩端進行間斷焊接。

表3 CO2氣體保護焊規范

2.2.2 剛性固定法

由于上層建筑單個肋骨結構鋼板較薄，線型簡單，結構強度不高，在裝焊過程中容易發生變形，故焊接之前，在適當跨度上采用槽鋼進行臨時加強。定位焊之前，在腹板的適當位置采用裝配馬板進行臨時加強[4]，防止焊接面板與腹板時發生變形。

為防止整個上層建筑鋼骨架在焊接過程中產生變形，在裝配時采用槽鋼和角鋼分別在結構的橫向和垂向設置臨時支撐。

2.2.3 焊后校正

焊接之后，上層建筑的個別T型結構焊接變形超出精度要求，此時采用氧乙炔火焰在腹板上進行加熱，然后水冷。若采用此加熱方法都難以滿足技術要求，則再次采用機械加工方法進行焊后校正，使之滿足技術要求。單個肋骨結構和整個鋼骨架的局部焊接變形超出精度要求的位置，采用氧乙炔火焰進行焊后矯正。

3 復合材料殼板安裝工藝研究

3.1 現場配鉆工藝技術研究

現場配鉆是以鋼骨架面板上的螺孔為基準配鉆復合材料殼板上的螺孔，復合材料殼板是由高強度玻璃纖維復合材料、增強聚氨酯材料組成，厚度為13mm，用M20×60mm不銹鋼沉頭螺釘連接到鋼骨架面板上。因此需要研究針對高強度、大厚度玻璃鋼開沉頭孔的配鉆工藝。本研究以工藝試驗的方式進行，以復合材料上層建筑鋼骨架為試驗載體，研究復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 復合材料殼板螺孔定位方法研究

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

圖1 用壓緊工裝進行殼板預組裝

圖2 用定位工裝進行螺孔定位圖

在試驗模型上進行兩種方案的試驗驗證，結果表明兩種方案都找到了鋼骨架面板上螺孔與復合材料殼板上螺孔的中心，第一種方案由于機床鉆頭鉆程與殼板表面不垂直導致弧形殼板上部分螺孔出現偏心，第二種方案通過人為控制、正交視角定位來保證鉆頭鉆程與殼板表面垂直，復合材料殼板上所有螺孔都與鋼骨架上相應的螺孔同心。試驗還表明，螺孔偏心小于5mm，可以通過旋轉銼來修正，使復合材料殼板上所有螺孔都與鋼骨架上相應的螺孔同心[5]。

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

3.1.2 復合材料殼板鉆孔方法研究

課題組分別作了三組測試，每組選取 50個螺孔。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。

試驗結果顯示：第一組平均每鉆2個螺孔折斷1個Ф6的鉆頭；第二組Ф20的鉆頭鉆孔時燒鉆頭；第三組平均每鉆 10個螺孔鉆頭出現磨損無法繼續使用。此外，還用合金鉆頭進行了試驗，結果顯示，合金鉆頭硬度高脆性大，容易斷鉆頭。試驗還發現電鉆轉速對鉆孔效率有影響，轉速過快易燒鉆頭，轉速過慢損傷鉆頭。

因此，選擇第三種方案，即采用工具鋼鉆頭先鉆Ф10的孔，再擴成Ф20的孔比較合適，鉆Ф10的孔轉速為240r/min，鉆Ф20的孔轉速為600r/min。3.1.3 復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，由于復合材料殼板在安裝后要求螺帽與復合材料殼板表面平齊，沉頭孔深度將直接影響復合材料殼板安裝質量。但手電鉆無法與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連接頭將手電鉆與锪空鉆連接后，將螺釘插入Ф20孔內，沿螺帽邊緣在殼板上劃線，然后以此線為基準加工沉頭孔。

試驗結果表明，第一種方案由于電鉆慣性力很大，沉頭孔深度無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到保證螺帽與復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，沿螺帽邊緣在殼板上劃線，以此線為基準采用連接頭將手電鉆與锪孔鉆頭連接后進行沉頭孔加工更合適。

3.2 復合材料殼板裝配工藝及質量控制技術研究

本研究以工藝試驗的方式進行，以復合材料上層建筑鋼骨架為試驗載體，應用研究得出的現場配鉆技術研究復合材料殼板裝配工藝及質量控制技術，最后提出了復合材料殼板安裝工藝，工藝流程如下：

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

2）殼板預組裝。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，用電動砂輪機打磨殼板邊緣至殼板重裝后間隙滿足要求；取下平整度不符合要求的殼板，用電動砂輪機打磨殼板下表面（即殼板與鋼骨架的貼合面）至殼板重裝后平整度滿足要求。

4）殼板預組裝。

5）螺孔定位與配鉆。殼板預組裝滿足要求后，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，再從殼板上表面的通孔處向下表面鉆Ф20mm的通孔；塞入沉頭螺釘，比劃螺帽邊線；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。用丙酮擦拭清潔復合材料上層建筑表面，按照設計要求對復合材料上層建筑表面進行涂裝。

4 結論

通過鋼骨架線型偏差控制技術和鋼骨架焊接變形控制技術研究，明確了鋼骨架線型偏差控制方法，突破了復合材料殼板現場配鉆工藝技術和裝配工藝及質量控制技術，形成了復合材料上層建筑鋼骨架建造工藝方案和復合材料殼板安裝工藝方案。該工藝方案可用于指導復合材料上層建筑建造工藝的編制。

[1] 黃曉艷, 劉源, 劉波. 復合材料在艦船上的應用[J].江蘇船舶, 2008(4):13-15.

[2] 劉土光. 復合材料在軍船上的應用展望[J]. 艦船科學技術, 2005(6):9-11.

[3] 田錫唐. 焊接結構[M]. 北京:機械工業出版社, 1982:128-156.

[4] 王德義, 羅春博, 陳龍超. T形支架焊接變形的控制[J]. 現代化農業, 2002(1):28-29.

[5] 史淑艷. 朝天門大橋鉆孔精度控制[J]. 鋼結構, 2008(8):32,66-68.

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：振動噪聲控制。