浅谈船体建造精度控制及精度装配工艺

引 言
 船舶建造精度主要是指船体建造精度。船体建造从钢材下料到船体建造结束，工作量约占造船总工时的50%。其建造精度直接影响船舶建造的总周期，建造质量(精度)也将影响后道工序的质量，影响船舶的航运性能。
 船体建造有别于机械制造，它工序多、制造复杂、工件大。钢料经预处理、零件加工、部件组装、分段组装和船台合拢成船体，其间要经过多工种的加工，包括切割、冷热加工、焊接、矫形以及吊运等。装配误差、加工误差和运输过程中的变形误差，以及期间产生弹塑变形与塑性变形的规律难以掌握和控制。如何保证船体零件、分段、整船的精度，一直是造船界所研究的课题，如今在理论、数据积累、经验估算方面都已取得了一些进展并应用于实践，可以认为已具备了完整的概念和理论基础，并已逐步形成一门学科—— 船体建造精度管理。
精度控制技术的应用现状
 船体建造精度控制技术的核心内容是精度控制，这种技术是“精度”的定量表示，是一个量化的技术。也就是说，如果应用精度控制技术，那么从下料开始，直到船台合拢的一系列加工过程中，只要按照正常的标准生产工艺，在每道工序完成后，其产品精度就能够满足下道工序的要求，而不用进行两次修整。这种先进的造船技术，在国外一些船厂中已经广泛应用，提高了企业的竞争力。成功的应用船体建造精度控制技术，也就是说，从原来的定性地给下料板材、型材预留余量，到定量的下料（精确地计算出补偿量），是需要投入大量人力、物力，且需要较长的时间和循序渐进的过程。目前，部分船厂已做到了从生产设计开始将精度控制信息反映到工作图上，进行精度设计，体现精度管理和控制的意图。将精度控制值、补偿值和各种信息反映到船舶放样的零件上，实现所有零件、部件和分段的精度控制。国内精度控制水平已经基本达到内部构件无余量下料，全船分段无余量上船台合拢。
精度控制的阶段划分
 船体建造是一个工序多、周期长、手工操作量大的生产过程。因此，要实施尺寸精度控制，有必要把船体建造全过程分解成若干个控制阶段，通过对各个阶段的有效控制，达到尺寸精度控制的最终目标。
 船体建造全过程的系统补偿量可按工序分别予以考虑后相加取得。对全过程的尺寸精度控制，也同样可按工序分别予以控制。因此，从理论上把船体建造全过程的尺寸精度控制分解为若干个控制阶段，以满足最终的精度要求是完全合理的。
 与补偿量对应工件变形的实质主要是各施工工序中发生的尺寸和形位误差。其中，需要进行补偿的主要是系统误差以及部分分布率为偏态的随机误差。
 考虑到二维和三维以及有关形状和位置误差对应的补偿量构成及其复杂，在此仅考虑一维补偿量的构成。
 由各种因素引起工件的变形往往有一定的规律，这规律是指统计意义上的规律。其中某些规律可通过有限的试验，经数据处理后写成表达式以方便使用和分析。
 一般来说，尺寸精度控制的阶段划分与船体建造的阶段划分相对应，这对于精度控制来说，不仅是合理的，而且是有益的。若船体建造阶段划分为：号料、加工、部件装配，分段装配和船台装配，精度控制也就按这四个阶段分别施行。其相互制约，前一个阶段是后一个阶段的控制基础，每一个阶段的有效控制都是保证精度管理的实施。
 在精度控制阶段划分中，还必须综合考虑下面的基本要求：
高空作业平地做；
船台作业平台做
外场作业内场做。
各个控制阶段补偿量的确定
 各个控制阶段的尺寸补偿量确定时，设定船体建造完工后尺寸的理想精度为±0值状态。从图3-1可以看到，各个控制阶段的目标推算偏差值，要满足最终的理想精度要求为±0值状态，那么在板材号料时，它的系统补偿量应该为a+b+c+d，即各个控制阶段补偿量的代数和。应该说明，上述各个控制阶段的标准偏差值，包含着各种变形收缩量和施工偏差这两部分内容完全不同的偏差。对于施工偏差，可以采取工艺技术措施和管理措施给予控制和消除。因而，一般来说，标准偏差值与系统补偿量应当一致。
 
 图3-1
船体建造精度管理与生产设计的关系
 船体建造精度管理，就是以船体建造精度标准为基本准则，通过科学管理方法与先进的工艺技术手段，对船体建造进行全过程的尺寸精度分析与控制，以最大限度地减少现场修整工作量，提高工作效率，降低造船成本，保证产品质量。
船体生产设计
 船体生产设计是船舶设计的组成部分，它是在详细设计包括放样的基础上，按工艺阶段区域和单元绘制记人工艺、技术要领和生产管理数据的工作图表，以及提供施工技术信息的一种设计过程。其内容如下：
(1)分段建造方案，正造、反造还是侧造；
(2)分段建造所选用的胎架；
(3)零部件结构的加工、组装顺序；
(4)零部件边缘余量、补偿量的加放要求，余量切除的工艺阶段与不留余量的部位；
(5)零部件结构的加工，装配精度要求；
(6)下料方法；
(7)全船外板、内底板、平台板及各层甲板的板缝布置及其余量、补偿量的加放要求与余量的切除时机；
(8)焊接工艺要求，包括焊接方式、焊缝坡口、装配间隙等；
(9)吊环的布置；
(1O)接缝长度与工时定额等。
 生产设计的上述内容多数与船体建造尺寸精度控制相关联。船体生产设计既是设计、工艺、管理融为一体的设计，又是指导现场施工的唯一依据，因此，船体建造精度管理所涉及的工艺技术要求，应通过船体生产设计予以贯彻，并随着船体建造精度管理的不断发展，工艺技术内容将更为丰富，更有赖于船体生产设计去进一步贯彻。
装配精度控制
 部件装配的尺寸精度控制
这里主要介绍减少变形的焊接程序和方法
 不合理的焊接程序会使焊接结构的变形和应力增大。焊接变形的增大不但增加了矫正工作量，严重时还会造成无法补救的缺陷，焊接应力的增加则直接影响到船体强度，应力过大着甚至使施工过程中的焊缝产生裂纹。
 在焊接方法的讨论上，CO2气体保护焊的热影响较小，手工焊接的焊接变形及焊接质量都不够令人满意。因此，从减小焊接变形和提高焊接质量的角度看，应广泛采用CO2气体保护焊，扩大自动焊、半自动焊的作业范围。
 在制定焊接程序时，得注意以下几点一般性原则：
首先焊接不致对其他焊缝形成刚性约束的焊缝；
每条焊缝焊接时，应保持其一端能自由收缩；
手工焊时，对较长的焊缝应采用逐步退焊法或分中逐步退焊法；
精良采用“线能量”低的焊接方式或方法。
分段装配的尺度精度控制
提高分段的建造精度目前主要有两种方式：
系统误差反馈、综合精度控制
阶段性尺寸精度控制
 阶段性精度控制从胎架，铺板划线，构件安装，内底板铺装，分段焊接逐步进行控制。
胎架
 胎架自身的刚性和尺寸精度对分段精度的影响很大。一般来说，分段精度要求越高对胎架的要求就越高（某些刚性较高且自身稳定性较好的分段则另当别论）。
 胎架中心线、各肋位线（含肋骨检验线）、板缝线、构架线及某些定位检查线等是分段划线和检验的标准，采用经纬仪辅助绘制上述各线及分段型线，可望获得较好的精度。另外，为补偿“系统”误差对胎架加放反变形量，为此各肋位线、板缝线与型线有关的模板高度线等均涉及有关反变形量的加放。
铺板与划线
 胎架作为分段建造的工艺装备，它的刚性好和精度高将为分段建造打下良好的基础。而铺板和划线则担负着建立分段基面和将胎架上的基准过渡到板列上的重要作用。对分段的尺寸精度控制有较大的影响。
 板列在胎架上的定位应以各自端缝线（对合线）和胎架格子线为准，由分段中间向两舷展开。尤其应注意胎架中心线与相应位置板材的中心线对齐。为了防止板列在装焊过程中移位及保证分段线型，铺上胎架的板材及时用“马板”将其与胎架拉紧，以减少分段的焊后变形。
分段中构件的安装
 构件的安装精度若达不到要求可能对船台分段对接及分段局部强度产生不良影响，进而引起装焊矫正工时的增加和成本的提高。
 构件安装精度控制的主要内容是：分段接合处的构件位置和尺寸应能满足船台装配要求；构建首、尾端相对分段基面的垂直度应符合要求；间断构件的安装应注意板两端边缘与理论线对准的要求；安装各类纵桁、纵骨等纵向构件，其两端肋位线应对准相应检查线（如已安装构件上的肋位线）；肋板、横梁等横向构件，应以最外缘的纵向构件理论线作为定位检查线。总之，构件安装时，必须以上述对合线（如肋位线、构件理论线）作为检验依据，误差必须符合技术要求。
内底板（若反造时为外底板）铺装
 内（外）底板铺装是分段装焊过程中最后吊装的一个大型构件（甚至是已装焊好纵、横向骨材的平面分段），其装焊质量对保证船台装焊精度同样具有重要意义。在吊装底板时精度控制的主要内容为：底板中心线对准分段中心线；底板端缝线（或外缘肋位线）对准相应对合线(或肋位线)，其中若计及分段变形的系统误差值，还应加放计算或预估的补偿量。
分段焊接
 分段零件、部件的正确定位与装配还只是分段尺寸精度控制的第一步，工作量更多、难度更大的控制对象是分段的焊接变形。有关分段焊接变形的分析、图谱计算、经验计算及变形估计等在上面已经涉及，此处不多加叙述。
船台装配精度控制
 由于船底反变形的存在，在船台上装配的分段就应注意由分段组成的几何形状与反变形后的船体相吻合。
结 论
 船舶精度控制技术是缩短造船周期、提高质量、降低成本、提高我国造船业在国际市场上的竞争能力的重要手段之一。而精度控制技术又和生产设计息息相关，生产设计的合理性可以大大减少船体建造过程中产生的变形误差。本文注重研究了船体装配过程中的精度控制，部件装配过程中焊接顺序与焊接工艺的正确引导能大大减少焊接变形，而刚性胎架的硬性约束也可以起到控制变形的目的。控制变形的方法有很多，如何选择最有效的方法（反变形，刚性约束，加放余量），必须根据实际情况而定，类似加工精度差，则选择胎架刚性约束等等。
参考文献
[1]马小平主编，江苏科技大学，现代船舶制造技术基础 2004年
[2]中国船舶工业总公司编，造船生产设计
[3]顾敏童主编，上海交通大学，船舶设计原理，2007年

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