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TRIZ在邮轮薄板焊接变形控制中的应用

2024-04-07司昊宸李守根朱加雷焦向东于学超

金属加工(热加工) 2024年3期
关键词:薄板邮轮原理

司昊宸,李守根,朱加雷,焦向东,于学超

1.北京石油化工学院机械工程学院 北京 102617

2.上海外高桥造船有限公司 上海 200137

1 序言

高强钢在大型邮轮建造中的广泛应用,减轻了结构自重,提高了船舶的航行性能和船舶能效。邮轮船体结构板厚较小,尤其是上层建筑和甲板室,焊接环节容易产生波浪变形,引起船体结构错位,对邮轮美观和航行性能产生严重影响。此外,邮轮属于定制产品,延期违约还会导致经济和法律问题。因此,快速准确定位焊接变形原因、提出解决方案是邮轮顺利建造的有效途径。

TRIZ理论作为一种创新方法,可以系统地提供发现、解决技术问题的理论和方法,受到了技术人员的青睐[1]。MARCEL等[2]利用TRIZ理论解决了超声波焊机的电动机安装刚度低、正定变异性小、放置变异性小的问题;WANG[3]通过TRIZ理论映射技术问题,设计了一种末端执行器,提高了电火花加工应用范围。盛精等[4]基于TRIZ理论将焊接接头曲面化设计改为直角面形式、降低模具温度至80℃的方式,使塑料离合器总泵的密封性问题得到改善;贾金龙等[5]通过TRIZ理论,针对自动焊接工装夹具在焊接过程中转动不平衡的问题,提出了4种改进方案;李航等[6]针对超声波辅助焊接过程中人工手持超声波振杆不稳定、试件较多时工作疲劳等问题,基于TRIZ理论进行了功能分析,并利用矛盾矩阵和发明原理改进了焊接装置;李金凤等[7]等利用TRIZ理论设计了一种新构型的拖拉机混合动力系统,并通过仿真模拟和实车测试,验证了该动力系统的有效性。综上所述,TRIZ理论作为一种创新方法,可用于有效解决工程生产中的技术问题。因此,本研究拟采用TRIZ理论分析邮轮建造过程中薄板焊接变形问题,从而提出解决方案。

2 问题背景描述

邮轮建造过程中采用的薄板厚度为4~8mm,在焊接过程中极易产生变形,变形尺寸在5~30m m,会影响后期装配作业。为了减少焊接变形,提升邮轮生产进度,希望母板焊接处受热、降温均匀,实现热胀冷缩均衡,然而不同位置焊接必然存在时间差,很难保证焊接点的同步性,导致上述问题不易解决。

当前,矫正是焊接变形控制采用的主要方法,该方法会使板材的长度发生改变,降低精度;另外,采取现有的焊接变形控制方法需额外采购设备(压弯机、矫正机及加热机等),将增加时间和人工成本,提高薄板焊接变形的控制系统复杂度,影响生产效率。

由于钢材热胀冷缩是不可避免的,因此通过实现母板焊接处热胀冷缩均衡,可避免出现裂纹、应力形变,有效控制薄板温度、焊接效率,降低成本投入,解决现有技术冲突,从而保证邮轮生产进度和安全性。

3 功能分析

针对邮轮薄板焊接建造过程进行功能和因果分析,建立了焊接变形的功能模型(见图1),随后对原始问题进行聚焦和扩展,找到了引起焊接变形的不同原因,如图2所示。从图2可得出,焊接热输入大导致的焊接件抗弯能力差、焊接散热慢且不均匀导致的残余应力,以及固定引起的焊接件受力不均匀,是导致薄板焊接变形的关键。因此,若要采用合适的方法削弱焊接过程中板材的变形量,则需要从焊接方法、固定方式、焊接材料及冷却速度等影响因素综合考虑。

图1 功能模型

图2 焊接变形原因映射图

4 矛盾分析

焊接时的大量热输入会导致变形;通过提高散热面积、改善受力均匀性虽然可以一定程度上降低焊接变形,但会提高焊接系统的复杂性,增加时间损失。采用TRIZ理论确定了待改进的参数及不能削弱的参数,得到的技术矛盾矩阵见表1。

表1 矛盾矩阵表

5 解决方案

根据40项发明原理,由表1得到的可采用发明原理共计17种,见表2。

表2 可采用的发明原理

结合邮轮建造薄板焊接过程的特点,在上述发明原理中有6条可以应用,分别是分段原理、预先作用原理、反向作用原理、机械系统替代原理及转变物理/化学状态原理。经专业知识具体化,提出解决问题的可行性方案见表3。大型邮轮建造过程中出现薄板焊接变形,可采用分段建造的方式,减小一次焊接长度;在靠近焊接变形区采用刚性固定的方法,减小变形应力;结合反向作用的原理在易发生变形区预先施加反向作用力,产生一定的变形量,从而抵消焊接变形;焊接变形受热输入的影响,故可采用更加先进的焊接装置系统,如激光复合焊等,通过控制焊接速度、激光功率、焊接电流及电弧电压等减小整体热输入;此外,还可采用超声波等后处理方法对焊接变形进行振动,消除内部应力,从而减少变形量。

6 结束语

TRIZ理论是解决生产过程中技术问题的有效工具,可以帮助生产人员快速发现问题并提供解决方案,对实际工程问题的解决具有重要意义。本研究通过TRIZ理论对邮轮建造过程中薄板焊接变形问题进行剖析,利用矛盾分析理论发明原理对薄板焊接变形控制提供了解决方案。

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