不锈钢焊接中空螺旋桨研制技术总结

郑卫兵 朱珉虎

（1.浙江省台州市创驰螺旋桨厂 台州318058； 2.江苏省船舶设计研究所 镇江212003）

引 言

不锈钢焊接中空螺旋桨是在传统铜质实心铸造螺旋桨的基础上采用新材料（不锈钢）、新型结构（分部件制造经过组装焊接成整体桨）、新颖制作工艺（数控型面加工技术和焊接工艺）而形成的新螺旋桨品种。它由台州市创驰螺旋桨厂首创，故也称之为“创驰桨”。

传统的船用螺旋桨生产工艺是采用锰黄铜或类似材料熔炼后浇铸到砂型箱中成型，在冷却后切去冒口，再经过型面修正加工（如抛光、车削）才成为合格产品。螺旋桨的铸造加工工艺复杂，属于高耗能、耗资源和高污染的行业。

螺旋桨制造对环境的污染主要是废砂的污染和噪声。目前业内螺旋桨的铸造普遍使用水玻璃二氧化碳固化砂，这种砂无法再生，只能一次性使用，而废砂多用于填海或填埋沟壑。水玻璃废砂对环境目前虽还未发现特别严重的危害，但废砂会使农田与土地沙化，其中残存的水玻璃又是一种含氧化钠的强碱性材料，可使土壤硷化和板结，污染水源或地下水。此外，螺旋桨手工加工时，采用风动工具产生的高分贝噪声至今仍无法解决，成了环保难题。

为了克服传统螺旋桨铸造工艺的缺陷，有必要开发一种新颖的螺旋桨结构和工艺制造技术来替代传统的螺旋桨制造技术，“创驰桨”就是在这种背景和指导思想下产生的。

台州市创驰螺旋桨厂早期以生产渔船用的小型不锈钢焊接中空螺旋桨为主，其节省油耗的效果受到渔民的欢迎，后逐渐在渔船上推广起来。其节能原因有二：①桨毂比铜质铸造桨小，焊接桨的毂径比在0.15～0.18之间，而铸造铜桨的毂径比常处于0.18～0.22区间；毂径比小有利于提高螺旋桨效率。②达到同等的推力，焊接中空桨比实心桨轻，所需功率可略微减小。

经过无数次的更新换代，近十年来，这类桨在一些中型运输船和工程船上也开始采用，最大的不锈钢焊接中空螺旋桨直径已达到2.6 m。创驰厂也曾生产制造过高速艇用的不锈钢焊接中空螺旋桨和特种用途（如水下潜体）的不锈钢焊接中空螺旋桨，在使用中均经受了严格的环境考验，性能也得到用户的一致好评。

1 钢板焊接螺旋桨的发展史

早在20世纪70年代，部分内河船（拖船和自航驳）上就开始使用钢板焊接螺旋桨。其起因是当时普遍使用的铸铁螺旋桨强度不足且韧性差，碰到淤泥（触底）或漂浮物，螺旋桨叶片常常断裂和脱落，造成海损事故。有鉴于此，一些小型船厂开始自行设计制造钢板焊接螺旋桨来替代铸铁桨，起到较好的效果。这种桨的桨叶和桨毂分别制作，桨毂用锻钢车削而成，桨叶的压力面和吸力面（又称叶背面）分别用2片薄钢板在模子中敲击成型，然后焊接成一个个叶片，再把这些叶片按照一定的角度装焊到桨毂上，即构成钢板焊接中空桨。这种桨的特点是牢靠，在使用中从未发现丢掉叶片的现象，即使碰撞到淤泥、卵蛋石、漂浮物等，桨叶打歪了仍能继续航行，回来后通过火工校正即可修复使用。

钢板焊接桨具有造价低廉，耐冲击、不易损坏、能在各种恶劣环境下使用的突出优点。因此，一直受到京杭运河和江浙一带船东的青睐［1］，但限于当时生产厂的条件，这种桨的制作精度较差，只能适用于功率不大的内河船使用。1996年，山东省交通科研所的许云飞研究员设计制造了两个1 176 kW、2.2 m直径的钢板焊接桨，为当时中国同类产品之最［2］。图1为钢板焊接螺旋桨叶片的结构型式。这2个螺旋桨委托江苏省镇江船厂制造，并于同年11月换装到“黄河”号滚装船上。据了解，该轮换装螺旋桨后已营运十多年，至今未出现桨损坏现象。

图1 钢板焊接螺旋桨叶片的结构型式

创驰桨虽同属于钢板焊接中空螺旋桨，但其设计与制造理念不尽相同。首先它采用了厚板概念，无论是压力面面板还是吸力面背板都用厚度为15～30 mm的不锈钢厚板制作；无需加强筋，叶片的强度和刚度都有保证，其空心的部分所占的比例不大。以直径D=1.85 m的螺旋桨为例，0.2R处（即叶根处）的截面厚度为75.2 mm，扣除上下板厚度30 mm，其最大的空隙厚度为45.2 mm，约占总截面厚度的60%。这个空隙向叶梢逐渐减少，到0.7R处减少到0，即从0.7R到叶梢为实心桨。

由于采用厚板，其导边和随边的形状，乃至整个叶片的形状都可以采用数控机床切削成形，其制造精度可以达到很高的等级，保证了叶片形状的准确性，这也是创驰桨不同于以往钢板焊接螺旋桨的特征之一。

2 不锈钢焊接中空螺旋桨与传统铜质铸造实心桨的比较

不锈钢焊接中空螺旋桨从其性能设计原理上说，是和目前广泛使用的铜质铸造螺旋桨完全一致的，也即它的桨叶形状和螺旋桨的主要参数，如桨的直径、螺距、盘面比、后倾角、桨叶截面的宽度和厚度、桨的转速、旋向、工作性能和效率是和铜质铸造螺旋桨完全一致的，因此目前普遍使用设计院设计的铜质桨的图纸来制造，只是在结构形式和制作方法上作些改变。

现将两种桨的不同之处作一比较，详见表1。

表1 两种桨的特征和优缺点比较

由表1可见，不锈钢焊接中空螺旋桨的优点很多，唯组装焊接会产生误差为其不足，若能控制装焊质量，则其优越性能充分发挥，符合国家的发展方针和环保政策，是一种很有发展前途的新产品，完全可能逐步替代传统的铜质桨，引起螺旋桨生产的革命性转型。

3 不锈钢焊接中空螺旋桨的材料、结构和制作工艺

3.1 材 料

不锈钢焊接中空螺旋桨使用的材料为奥氏体不锈钢热轧厚板，其化学成分和力学性能符合CCS《材料与焊接规范》第1篇（金属材料）第3章（钢板、扁钢与型钢）第8节（奥氏体不锈钢和双相不锈钢）所列要求［3］。

3.2 结 构

中空螺旋桨的叶片轮廓、截面形状与铜质铸造桨完全一致，只是结构形式和制造工艺不同。

中空螺旋桨由螺旋桨叶片和桨毂两个部件组成。这两个部件分别加工成型后通过组装焊接工艺形成一个整体螺旋桨。

桨毂结构和形状基本和铸造桨相同，采用与叶片一样的不锈钢材料通过机械加工成型。由于不锈钢的强度高于1级和2级锰青铜材料，且韧性好，故相对来说，不锈钢制的桨毂直径可略小于铸铜桨毂的直径。

桨叶为厚钢板焊接中空结构（如图2所示），由3块不锈钢板经过型面切削后焊接而成［4］。这3块不锈钢板分别为面板、背板和撑板。面板和背板分别加工成型后，通过焊接连接成一体，构成螺旋桨叶片。在图2中的左半部可以看到面板与背板的焊接区，这种焊接属于填角焊形式。焊接后用砂轮打磨表面，使两块板的型面（形状）光滑过渡，便成为完整的叶片。撑板是放在中空结构里面的，起到加强作用，同时也增加叶根与桨毂的焊接连接强度。

图2 焊接中空桨叶结构

3.3 型面加工

型面加工技术是创驰螺旋桨的创新技术特征之一，它关系到螺旋桨叶片形状的正确性，正因为这种制造工艺加工出来的叶片形状非常精确，因此可以同铸造螺旋桨的叶片形状相媲美。

首先是3块板的放样。采用UG三维建模技术在计算机上按设计院提供的螺旋桨图纸和叶型剖面型值表生成整体螺旋桨形状，然后把它分解为叶片和桨毂两个部件。桨毂是一个旋转体，内部开有键槽，直接可送去车削加工。叶片部件再按确定的设计板厚划分为3块板，并形成空心结构。每块板的形状可以直接生成数控代码，用于数控机床进行型面加工。第二步是按3块板的周边轮廓形状在数控机床上下料，其中撑板的形状基本成型，无需再进行加工，但还要开坡口，满足焊接要求。第三步是进行面板和背板的型面加工，即加工成要求的形状。在加工前，为了将来装配的精确，在叶片的辐射参考线上钻两个定位孔。加工时，用螺栓将叶板在机床上做基准定位。现举面板的加工为例。面板是一块平板，其两面都可以作为加工的基准面，若是弓背形剖面，则其推水的一面为平面，将它覆在机床加工平台上，在其上面用数控铣床铣削出导边和随边形状即可完成。若是机翼型剖面，则需一面加工好后翻过来，再对正面（即推水的一面）进行导边和随边上翘形状的加工。背板的拱度较大，可以先用压力机床在模具中压成拱形，然后把与面板的结合平面作为基准面，对其边缘和上表面（即叶背面）用数控铣床铣削出要求的形状。面板和背板加工到位后，进行定位和焊接。

3.4 装 配

桨叶和桨毂的装配是一道关键工艺。整个装配工作在特制的平台上完成，图3是桨叶现场装配的实景照片。加工好的桨叶用三个支架固定到铁制平台上，每个支架的高度都是可以调节的。平台的一端设置一个转盘，用以固定桨毂。螺距测量仪的芯轴穿过桨毂安装在转盘上，可以来回转动。它的悬臂上装有测量螺距的滑杆和电子显示屏。

图3 桨叶现场装配的照片

叶片和桨毂的定位有两个角度需要控制：一个是叶片的后倾角（又称桨叶的纵斜），它是通过控制叶梢和叶根中点两个点的高度差来实现的，螺距仪能够精确测出这两点的高度差。另一个是螺距角，它可以用螺距仪按规定的半径画圆弧，电子显示屏上就会显示该半径处的螺距（局部螺距）。经过调节后，用螺距仪反复测量几遍就能达到正确的定位。此时用点焊固定。焊接后的螺旋桨，仍可在此装配平台上测量出焊接后的变形量，然后采取校正措施，反复检测并校正，直到达到国家标准允许的误差为止。采用这样的装配定位工艺可保证桨叶安装的正确性。

4 焊 接

4.1 结点设计

桨叶面板、背板与桨毂的焊接结点设计见图4。焊接接头的设计不仅关系到连接强度，而且关系到焊接的可实施性（可达性）。如图4的A 结点详图所示，桨叶的面板在内侧开有45°的坡口，其外侧的钝边是用数控机床精确加工出来的，可与桨毂紧密接触，而背板与桨毂之间留有30 mm的工艺间隙。焊丝通过这个间隙先把面板内侧的坡口填平，再进行内侧坡口外面的填角焊，填角焊的焊脚高度K1要求不小于板厚度t。接下来进行撑板与桨毂的焊接。撑板是预先安装在叶片根部的，由于撑板比较厚，一般用30 mm厚的板来做，需要开双面坡口，如图5所示。

图4 桨叶与桨毂的焊接

图5 桨叶焊接的细节

焊脚高度K要求不小于板厚度t。撑板焊好后，就可以进行背板与桨毂的焊接了。由于工艺间隙较大，在焊接前先把一长条衬板放进间隙进行点焊定位，然后用焊丝把空隙全部填满，并用小的圆弧与桨毂表面平滑过渡（参见图4的B结点详图）。最后还要进行面板与桨毂的圆弧过渡焊，如图4的A结点详图所示，过渡焊脚K2要求不小于1.5t。经过这样的双面焊接，连接强度可获得保证。

4.2 焊接技术

目前奥氏体不锈钢焊接大都采用熔化极混合气体保护焊。焊丝材料应选用其熔敷金属的化学成分与母材基本相当的焊接材料。

焊工应经过相关的培训，熟练掌握不锈钢焊接的技术。焊接工作结束后，应进行退火处理以消除焊接应力。

4.3 焊接变形的校正

焊接变形的校正可分为两个阶段：第一阶段是叶片焊接变形的校正；第二阶段是叶根（与桨毂）焊接变形的校正。

桨叶经过焊接后会产生如图6的变形情况，即叶面（板）产生波浪形，叶背（板）的拱度减小。目前采用的校正方法是压力校正方法。即以叶背的形状做一个模子，这个模子也是原先加工叶背拱度的模子。叶片焊接完成后再放入这个模子中，上面用压力头加压，直到叶背与模子贴合为止。一般叶面板经过压力加工后会产生极小的拱度，这种拱度对螺旋桨的性能影响不大，甚至会有一点好处。

图6 叶片焊接变形示意图

叶根焊接变形后，往往会使桨叶后倾角减小。所以第一步是采取反变形措施，一般是在装配时让叶梢往上抬高几毫米，视螺旋桨直径而定，直径大，抬高量也大。工厂经过一段实践后，得出了一套经验数据。其次是焊接后再测量后倾角的变化情况，如仍有少许误差，可采用压力加工的方法加以校正，直到满足要求为止。

4.4 焊缝检验

所有焊缝应进行外观检查。焊缝表面应成型均匀，并平缓地向两侧过渡。焊缝表面不应有裂纹、气孔、未填满、焊瘤和咬边等缺陷。焊缝的内部质量应经无损检测方法检查。无损检测的范围、数量及其所采用的工艺和标准应符合CCS接受的标准的要求。

5 强度校核

这种桨的强度问题引起了船检部门的关注，因此有必要进行详细论证。

5.1 CCS规范要求

对于常规运输船的螺旋桨，CCS规范规定了螺旋桨叶片在叶根处和0.60R处的最大厚度要求。一般的铸钢、铸铜实心螺旋桨如果按照规范要求确定叶片的最大厚度，即强度有了保障，可以省去理论计算的麻烦。

按CCS《钢质海船入级规范》（2006年）第三分册的规定，固定螺距螺旋桨要求核算0.25R和0.60R半径处的螺旋桨桨叶厚度t，这是因为常规铜质铸造螺旋桨的毂径比（即桨毂直径与螺旋桨直径之比）一般达到0.2～0.22，因此桨叶根部的薄弱剖面处于0.25R处。对于不锈钢焊接中空螺旋桨来说，毂径比一般不大于0.18，因此桨叶根部的薄弱剖面可以取0.2R处的剖面模数来校核。如果0.2R处的强度满足要求，若叶片厚度按直线分布规律，则0.60R处的强度绰绰有余，因此0.60R的叶片厚度可以不进行校核。

不锈钢焊接中空螺旋桨的材料为不锈钢厚板，其力学性能好于铸铜，由于桨叶内部有空隙，因此不能用规范的公式来校核螺旋桨的强度，只能采用理论计算方法来校核螺旋桨的强度。

5.2 螺旋桨强度的理论校核方法

当规范的强度校核公式不能适用时，规范允许采用理论计算方法或其他的等效方法来校核。这里采用的校核方法来源于参考文献［5］中第7章“螺旋桨的强度校核——分析计算法”。

5.2.1 螺旋桨上作用的力矩

图7表示在叶根剖面处叶切面承受弯矩情况。

图7 螺旋桨承受的弯矩图

其中MF是旋转阻力产生的弯矩；MT是螺旋桨推力产生的弯矩；MS和MC是离心力产生的弯矩。

螺旋桨叶片根部强度的主要校核方向是η-η轴线方向，在图7中θ角称为螺距角，它的值等于：

式中：θ为螺距角，°；

H为螺距，m；

D为螺旋桨直径，m。

将所有的弯矩投影到η-η轴线上，则得到Mη：

5.2.2 螺旋桨推力产生的弯矩

螺旋桨推力产生的弯矩MT：

式中：MT为螺旋桨推力产生的弯矩，N·m；

T为螺旋桨产生的推力，N；

R为螺旋桨半径，m；

Z为螺旋桨叶片数，片；

d为桨毂直径，m；

D为螺旋桨直径，m；

KT为螺旋桨的推力系数，可从图谱中根据进速系数和螺距比查到；

ρwater为水的密度，kg/m3；

n为螺旋桨转速，s-1；

xp为校核截面相对半径，xp=rp/R，其中rp为校核截面处的半径m。

5.2.3 螺旋桨扭矩产生的弯矩

螺旋桨阻力（扭矩）产生的弯矩MF：

式中：MF为螺旋桨扭矩产生的弯矩，N·m；

Q为螺旋桨产生的扭矩，N·m；

PD为螺旋桨收到功率，kW；

N为螺旋桨转速，r/min。

5.2.4 离心力产生的弯矩

螺旋桨离心力C的作用如图8所示。

图8 螺旋桨离心力C的作用

不锈钢焊接中空螺旋桨的叶片是分片制造的，所以单片桨叶的质量WB（单位为kg）可通过称重得到。

桨叶重心至轴线的距离：

单片桨叶产生的离心力C：

式中：C为离心力，N；

g为重力加速度，g＝9.81 m/s2；

WB为单片桨叶的质量，kg；

n为螺旋桨转速，s-1；

rG为桨叶重心至轴线的距离，m。

因桨叶后倾引起的离心力弯矩MS：

式中：lG为后倾桨叶重心至叶根剖面形心的水平距离，m。

式中：ε为桨叶后倾角，°。

因叶面弯曲引起的离心力弯矩MC：

式中：lS为叶根剖面的形心与通过叶片重心的辐射线之间的距离，m。常规螺旋桨的lS= 0.199bmax（bmax为叶片最大宽度，m）。

5.2.5 桨叶强度校核

桨转动时，弯曲力矩Mη则在其叶背面C点产生最大的压缩应力，故着重点是校核C点的应力。若C点应力小于许用应力［σ］，则其他各处的应力都能满足强度要求。产生于C点的压应力σC可用式（12）计算：

式中：σC为C点应力，Pa；

M为弯矩，N·m；

W为剖面模数，m3；

I为剖面惯性矩，m4。

图9 “创驰”中空桨叶型剖面

不锈钢焊接中空螺旋桨叶根剖面形状如图9所示，采用分块法计算。该方法理论上适用于任何复杂的剖面形状。

图9中，“创驰”中空桨叶由面板1、背板2-4-3和撑板5组成。假定轴线与底边AB线重合。e为中和轴距底边的距离。

过剖面内中空部分的顶点作AB的平行线CD，将背板划分为2、3、4三段。再作AC和BD两条直线，∠ABD称为导边角α；∠BAC称为随边角β，均可从图纸上求得。已知叶片宽度为b，最大厚度为t，面板的厚度为t1，背板的厚度为t4，撑板厚度t5。现将各块板的面积Ai、形心距假定轴的距离ui、自身惯性矩Ii的计算公式推导如下：

运用剖面模数计算的公式即能求得合成面积的剖面模数。

如果计算得出的剖面模数不能满足许用应力水平的要求，可以通过增加板的厚度来满足要求。

5.3 许用应力

螺旋桨常用材料的许用应力在表2中给出。

表2 螺旋桨常用材料的许用应力MPa

5.4 不锈钢焊接中空螺旋桨强度校核实例

为了说明不锈钢焊接中空螺旋桨的强度是有保证的，现以85 m工程船配套螺旋桨作为强度校核实例。该桨采用宁波海星船舶设计所提供的铸铜桨图纸，由台州市创驰螺旋桨厂改制成不锈钢焊接中空螺旋桨，但其涉及使用性能的参数并未改变。

5.4.1 85 m工程船螺旋桨的原始数据

图号：998-107-02

设计单位：宁波海星船舶设计所

批准单位：浙江省船舶检验局（宁波检验处）

批准号：ZNB 11137

批准日期：2012年2月10日

型式：MAU

叶数：5

盘面比：0.696

直径：1.85 m

螺距：1.178 m

螺距比：0.637

主机功率：353 kW

后倾角：10°

航速V：7.5 kn

下面是不锈钢焊接中空螺旋桨（“创驰”螺旋桨）相关数据：

材料：1Cr18Ni9Ti

抗拉强度：550 MPa

不锈钢密度：7.93 g/cm3

延伸率：35%

桨重：360 kg

毂径：0.26 m

毂长：0.37 m

单片叶重：56 kg

主机转速：1 200 r/min

速比：5∶1（即桨的额定转速为4 s-1）

桨叶根部厚度t0.2R=70 mm=0.07 m

桨叶根部宽度b0.2R=387 mm=0.387 m

桨叶面最大宽度bmax=580 mm=0.580 m

面板厚度t1=14 mm=0.014 m

背板厚度t4=14 mm=0.014 m

撑板厚度t5=30 mm=0.030 m

导边角α=41.2°

随边角β=20.2°

5.4.2 弯矩计算

收到功率PD=0.9×353 kW=317.7 kW（0.9为传动效率）

毂径比d/D=0.14

海水密度ρwater=1 026 kg/m3

tanθ=0.202 685 5

螺距角θ=0.2 rad

推力T=28 843.337 8 N

推力弯矩MT=-2 555.196 N·m

扭矩Q=12 640.885 9 N·m

阻力弯矩MF=-1 650.636 N·m

rG=0.368 5 m

离心力C=1 328.734 6 N

lG=0.048 3 m

离心力弯矩MC=153.362 6 N·m

离心力弯矩MS=64.2 N·m

η-η轴弯矩Mη=2 269.767 N·m

5.4.3 剖面模数计算

如图9的“创驰”中空桨叶型剖面模数计算列于表3。

表3 叶型剖面模数计算

5.4.4 强度校核

校核结果如下：

主弯矩Mη=2 269.767 N·m

叶根剖面的最小剖面模数Wmin=0.000 102 68 m3

最薄弱处C点应力σC=Mη/Wmin=22.1 MPa

许用应力（不锈钢）［σ］=50 MPa

σC<［σ］说明铸铜实心螺旋桨改变为不锈钢焊接中空螺旋桨后，在叶根剖面尺度不变的情况下，强度也完全满足要求。

事实上，创驰螺旋桨厂已经生产了数以千计的不锈钢焊接中空螺旋桨，在使用十多年以后，没有一个桨因强度不够而损坏。即使有的叶片打歪了，叶根部位仍然完好。

6 结 论

综合上述分析与比较，我们可以得到如下结论：

（1）不锈钢焊接中空螺旋桨是在传统螺旋桨的基础上采用新材料（不锈钢）、新型结构（分部件制造经过组装焊接成整体桨）、新颖制作工艺（数控型面加工技术和焊接工艺）而形成的新螺旋桨品种。它具有质量轻、耐腐蚀、节能、经济耐用等优点，有较好的发展前途。

（2）传统的螺旋桨铸造工艺复杂、手工作业繁重且耗能、耗材、耗工时、也不够环保，因此开发新型不锈钢焊接中空螺旋桨具有重要意义。

（3）不锈钢焊接中空螺旋桨的生产已经形成一套完整的工艺方法（包括焊接结点的设计、装配质量的控制和检测手段），其成品质量可与铸造桨相媲美。

（4）提出了不锈钢焊接中空螺旋桨强度校核的理论计算方法，并做了实例计算，结果表明不锈钢焊接中空螺旋桨按照铸铜螺旋桨的尺度来生产，其强度完全可以满足规范要求。

［1］ 郭建民，许云飞.钢板桨叶焊接时导随边升高值H估算公式的生成及应用［J］.中外船舶科技，2008（4）：12-17.

［2］ 许云飞.大功率大直径钢板焊接桨的研制［J］.江苏船舶，1998（4）.

［3］ 中国船级社.材料与焊接规范［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］ 朱珉虎.一种创新的不锈钢螺旋桨制造方法［J］.中外船舶科技，2011（2）：21-22.

［5］ 盛振邦，刘应中.船舶原理（下）［M］.上海：上海交通大学出版社，2010.