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翼型態，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，其橫剖面保持與船體中心面垂直，左右結構對稱，以保證左右兩側的水流壓力一致，不會產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，對其進行精度控制研究，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。

2 舵葉的特征及建造精度控制難點

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，另一側板進行塞焊或開坡口單面焊，內含上下舵承鑄鋼件（見圖1）；其內部存在大量的焊接工作，焊后舵葉四角易扭曲變形，需要火調作業進行調正，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行研究，通過加放焊接收縮量和反變形，并通過尺寸檢測、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，從而實現降本增效。圖1 舵葉結構示意圖

3 舵葉補償量施放

舵葉制造過程中經過焊接及火調作業之后，其外觀尺寸會產生一定量的收縮。經過現場數據收集，舵葉焊接火調后高度方向收縮13～18 mm、長度方向收5～6 mm，根據造船質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、長度方向標準偏差為±4 mm，制作過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行研究。

通過對內部每檔尺寸、每個階段進行測量、數據對比及分析，發現舵葉高度方向每檔收縮值約2 mm、長度方向每檔收縮值約1 mm，因此確定對舵葉建造過程中加放適量的補償量來抵消焊接及火調而導致的收縮值。具體實施措施為：在舵葉板件下料時，四周加設30 mm 粗余量；板件經過加工成型后，根據地樣十字線對其進行上胎定位；上胎板內部同樣根據地樣十字線進行內部結構劃線，劃線時內部每檔加放補償量，高度方向為每檔結構+2 mm、船長方向為每檔結構+1 mm（見圖2）；舵葉內部結構裝配時按線進行裝配，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、長度方向偏差在±2 mm 內，總體精度滿足公差要求。通過綜合驗證，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，在現場施工中執行。

圖2 舵葉補償量加放示意圖

4 舵葉反變形加放

通常舵葉焊接后產生扭曲變形，需進行火調作業。為了扭轉這一狀況，通過實測數據分析研究，采用控制建造胎架反變形方案，即在舵葉的胎架建造過程中加放反變形來解決該問題： 首先選定縱橫結構交叉點為數據收集點，測量上胎后和舵葉焊后的胎架面水平數據。現場收集了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，主要呈現中拱狀態，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，現場需進行火調作業，作業時間約4～6 天，耗費動能且效率低下，嚴重影響生產進度。

通過對數據的統計分析，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 進行設置，其他位置加放反變形數據（見圖4）；偏差值要求控制在±1 mm 內，保證板件平緩過渡，板件鋪板后對上胎板水平進行檢驗，滿足要求后利用碼板與胎架板進行焊接固定，最后進行裝配焊接作業；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，但還存在以下問題：（1）舵葉胎架加放反變形后，因板厚較大，局部板件裝配時難以矯平，裝配難度增加，局部區域變形無法加放到位；（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，仍需進行火調作業。

圖4 舵葉反變形加放示意圖

通過對后續船舵葉建造過程的跟蹤，將反變形加放要求進行落實，對存在的問題進行優化改進：板件加工過程中，對需加設的反變形板件進行預加工，解決了板件上胎較難矯平問題；在后續舵葉制造過程中，對施工工藝進行優化改進，并督促現場按要求施工，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，工作效率顯著提升，達到預期研究目標。

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上，按補償量值進行結構劃線，重點是對鑄鋼件定位尺寸進行控制，并對其焊前進行支撐加強。

鑄鋼件上胎架定位時，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所示立標桿、拉鋼絲進行測量定位鑄鋼件；定位時，以舵桿中心線為基準，測量上、下鑄鋼件四個端面的孔半徑偏差，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，同時下鑄鋼件向上放5 mm 反變形；舵葉完工后，進行精度測量，若出現超差則進行火調處理。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

6 舵葉焊接控制

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；現場安排雙人對稱施工；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始向四周對稱施焊。

鑄鋼件焊前應進行120 C°～150 C°預熱，范圍是焊縫邊緣150 mm 內；預熱溫度應均勻，嚴禁在某個部位停留時間過長；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行保溫緩冷；焊縫冷卻后對鑄件周邊焊縫進行100%MT 無損探傷，其它外觀及內部質量檢驗按船級社標準。

施焊時特別注意采用相應的焊接電流進行打底焊接，避免打底焊道產生裂紋。表3 是CO2半自動單面焊在對接施焊時電流電壓要求。

表3 CO2 半自動焊電流電壓要求

焊接時，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程中焊工、時間、溫度記錄。

7 結束語

綜上所述，通過對舵葉制作過程精度控制的研究，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，在建造過程中進行舵孔間距控制，增設圓管加強和焊接收縮量，并在施工過程中明確焊接工藝要求，通過在生產現場實施應用及優化改進，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驗借鑒。