一種釋放船用焊接筋板內(nèi)應(yīng)力的裝置設(shè)計(jì)

吳治翰 張然 沈文軒 周榮富

摘? 要：根據(jù)船舶建造過程中小組立焊接流水線性能特點(diǎn)及背燒工藝流程，分析應(yīng)力釋放裝置性能要求，從結(jié)構(gòu)布局、傳送輥道系統(tǒng)、背燒火焰行走機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)實(shí)施方式、控制保護(hù)功能等多個(gè)方面對(duì)筋板內(nèi)應(yīng)力釋放裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證裝置設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：船舶建造;焊接;應(yīng)力釋放;背燒

0 引 言

根據(jù)國內(nèi)大型船廠調(diào)研結(jié)果，船舶建造過程中，底板為平板的小組立結(jié)構(gòu)件占15%～20%。小組立焊接生產(chǎn)屬于船舶建造周期的前端，加工質(zhì)量的好壞直接影響后期分段與總裝建造的質(zhì)量。小組立結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用焊接工藝進(jìn)行生產(chǎn)，焊接過程通常會(huì)造成筋板內(nèi)部的組織缺陷以及殘余應(yīng)力，為了改善和消除此類組織缺陷和應(yīng)力，防止工件出現(xiàn)不合格的情況，通常會(huì)對(duì)筋板焊接區(qū)域進(jìn)行高溫加熱處理，傳統(tǒng)的退火處理方法是在小組立焊接末道工序?qū)Y(jié)構(gòu)件進(jìn)行人工翻面退火熱處理，釋放焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。本論文提出的內(nèi)應(yīng)力釋放裝置設(shè)計(jì)方案利用小組立自動(dòng)焊接流水線傳送輥道支撐小組立構(gòu)件通過輥道下方進(jìn)行背燒，無須人工干預(yù)進(jìn)行翻面處理，同時(shí)可根據(jù)筋板位置自動(dòng)控制烤炬位置和供氣、點(diǎn)火開關(guān)，保證背燒作業(yè)的穩(wěn)定性和均勻性，減少車間設(shè)備資源占用，可同時(shí)進(jìn)行多條焊縫的內(nèi)應(yīng)力釋放，降低人力成本，提高作業(yè)效率。

1 裝置性能要求分析

船用焊接筋板內(nèi)應(yīng)力釋放裝置為三相380 V電壓、50 HZ頻率的低頻交流電系統(tǒng)。裝置應(yīng)具有對(duì)小組立結(jié)構(gòu)件焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力有消除或改善作用，可根據(jù)工程現(xiàn)場作用對(duì)象實(shí)際情況，對(duì)裝置的輥道尺寸、烤炬及管夾數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，確保達(dá)到應(yīng)用要求。

船舶構(gòu)件的生產(chǎn)屬于典型的多品種小批量模式，尺寸需求從幾米到幾十米不等，內(nèi)應(yīng)力釋放裝置為了滿足小組立結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)需要，適用于8 m*8 m以內(nèi)、底板厚度8～30 mm、重量小于5 t的小組立結(jié)構(gòu)件作業(yè)。

裝置輥道與焊接工位相互配合，上位機(jī)可根據(jù)焊接工位視覺系統(tǒng)提供的焊縫坐標(biāo)信息對(duì)烤炬位置進(jìn)行標(biāo)定，移動(dòng)烤炬至焊縫在輥道的行進(jìn)路線下方進(jìn)行背燒作業(yè)，烤炬的移動(dòng)通過軌道電機(jī)執(zhí)行，防止與焊縫錯(cuò)位，定位精度應(yīng)控制在10 mm內(nèi)。

對(duì)人工背燒效率的調(diào)研結(jié)合裝置模擬仿真，該裝置的背燒速度可以達(dá)到0.5～0.8 m/min，效率高于傳統(tǒng)背燒。

裝置作為能源消耗設(shè)備，運(yùn)行時(shí)功率較大且有明火，須注意設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，防止人或易燃物品靠近，因此需要配有相應(yīng)的急停措施來保證設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)背燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)背燒系統(tǒng)主要位于支撐輥道的下方，包括輥道支架，支架上方的傳送輥道，輥道電機(jī)，與傳送輥道相互配合的背燒火焰機(jī)構(gòu)，傳送輥道下方配有氣源箱和調(diào)壓閥以及與火焰機(jī)構(gòu)相連接的分流排，傳送輥道上方設(shè)有定位傳感器，其主要部件結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

輥道支撐焊接件通過控制下方輥道電機(jī)向前運(yùn)輸筋板，背燒火焰機(jī)構(gòu)在輥道下方進(jìn)行水平移動(dòng)控制背燒作業(yè)區(qū)域，分流排位于背燒機(jī)構(gòu)最下方對(duì)氧氣和可燃?xì)怏w進(jìn)行氣體分流至多把烤炬，氣源箱的作用是作為氧氣和可燃?xì)怏w的緩沖存貯裝置，調(diào)壓閥通過調(diào)節(jié)氧氣與可燃?xì)怏w的比例實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)火焰溫度的目的，在筋板到達(dá)背燒區(qū)域前將噴槍移動(dòng)至焊縫行進(jìn)下方區(qū)域，在筋板的起始端即將到達(dá)噴槍上端時(shí)開始點(diǎn)火，筋板離開時(shí)熄火。

2.2 背燒火焰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

背燒火焰機(jī)構(gòu)屬于焊接筋板內(nèi)應(yīng)力釋放裝置的核心組成。由受PLC控制的多臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)烤炬組成，根據(jù)背燒定位精度要求，將電機(jī)的重復(fù)定位精度確定為±10 mm。

結(jié)構(gòu)最下方固定有剛性底座用于支撐火焰機(jī)的主體，底座上方固定有齒條配合伺服電機(jī)的齒輪對(duì)火焰機(jī)進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)，齒條周圍有防護(hù)罩對(duì)齒條軌道進(jìn)行防護(hù)，拖鏈槽用于固定和承載拖鏈，拖鏈用于保護(hù)內(nèi)部火焰機(jī)構(gòu)的供氣管路、打火控制、電機(jī)控制信號(hào)線纜等，減速機(jī)安裝在減速機(jī)安裝板上，滑板底座上支撐桿對(duì)槍夾進(jìn)行支撐，槍夾上連接烤炬和點(diǎn)火裝置，直線軌道的兩端配有防沖擋板防止火焰機(jī)滑出軌道?；鹧鏅C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 實(shí)施方式及控制策略

3.1 實(shí)施方式

裝置通過可編程控制器及外部繼電器線路控制接觸器、變頻器來對(duì)輥道電機(jī)及烤炬電火進(jìn)行控制，將程序提前下載至PLC控制器，現(xiàn)場操作人員作業(yè)時(shí)僅需在人機(jī)交互交界面發(fā)出指令，指令包含系統(tǒng)通氣、通電、開啟自動(dòng)背燒、結(jié)束背燒。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，裝置只能對(duì)焊縫與軌道前進(jìn)方向相平行的筋板進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力釋放，應(yīng)提前保證待背燒工件焊縫與輥道前進(jìn)方向的x軸線夾角小于5°，否則在應(yīng)力釋放過程中將會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榭揪鎳姌屌c焊縫下方位置出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致背燒效果不理想的情況，如圖3所示。

當(dāng)確認(rèn)好系統(tǒng)工作狀態(tài)后，現(xiàn)場工作人員僅需通過人機(jī)交互界面開啟自動(dòng)背燒作業(yè)即可;背燒結(jié)束后，將完整工件吊裝至卸貨區(qū)域即可。

3.2 背燒控制策略

根據(jù)Δt的時(shí)間來對(duì)頻繁點(diǎn)火熄火的控制，防止損壞點(diǎn)火機(jī)構(gòu)。

背燒過程主要關(guān)聯(lián)輥道上焊接工件表面的二維坐標(biāo)系，背燒系統(tǒng)通過接受焊接工位的焊縫位置信息利用伺服電機(jī)提前移動(dòng)烤炬至需要背燒的焊縫下方，通過對(duì)識(shí)別的焊縫的始末兩端的位置（縱坐標(biāo)y）來分配背燒任務(wù)。筋板始末坐標(biāo)如圖4所示。

設(shè)烤炬橫坐標(biāo)為零位x0，輥道傳送速度v0 ，假設(shè)背燒輥道上有五條待背燒筋板，第一條對(duì)應(yīng)的筋板的起始坐標(biāo)和末端坐標(biāo)分別為（x11，y11），（x12，y12）?，F(xiàn)場操作人員啟動(dòng)背燒程序后，則系統(tǒng)的點(diǎn)火時(shí)間為：

t1=（ x11-x0）/v0

相應(yīng)的，關(guān)火時(shí)間為：

t2=（x12-x0）/v0

同時(shí)，當(dāng)同一烤炬前后背燒的兩條焊縫時(shí)間間隔比較短時(shí)，為了避免烤炬頻繁點(diǎn)火熄火而損壞，通常會(huì)設(shè)置一時(shí)間間隔閾值Δt，即前一塊筋板的關(guān)火時(shí)間與后一塊筋板的開火時(shí)間差小于Δt時(shí)，烤炬保持噴火狀態(tài)不執(zhí)行熄火命令，以此保證系統(tǒng)的使用壽命?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

4 結(jié) 語

該船舶焊接筋板內(nèi)應(yīng)力釋放裝置在一定程度上解決了勞動(dòng)密集型作業(yè)，通過可編程控制器系統(tǒng)對(duì)整個(gè)背燒作業(yè)進(jìn)行控制，簡化了傳統(tǒng)的背燒流程，在輥道下方設(shè)置火焰機(jī)構(gòu)解決了背燒翻面問題;通過調(diào)節(jié)氣體比例來調(diào)節(jié)背燒溫度，全程無須人工干預(yù)同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，隨著船舶智能制造的廣泛落地應(yīng)用，提效增能成為新的要求，相信像這樣改善船舶建造流程的裝置可以得到更多的關(guān)注與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫悅. 面向智能制造的船舶分段小組立成組技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)，2018.

[2] 周榮富，梁偉，汪璇，楊虎. 面向智能制造的船舶小組立中間產(chǎn)品工藝路線[J]. 造船技術(shù)，2021，49（01）：71-75.

[3] 張本順. 船舶小組立結(jié)構(gòu)機(jī)器人旁路分流電弧焊接工藝研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

[4] 康占賓，閆德俊，陳紅亮，蔣巍，黃家勇. 船用小組立焊接生產(chǎn)線智能化技術(shù)研究[J]. 廣東造船，2020，39（03）：56-59.

[5] 王鴻斌.淺談船舶焊接殘余應(yīng)力的形成與控制[J]. 武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（01）：76-78.

[6] 譚磊明. 試析焊接應(yīng)力對(duì)船舶的影響[J]. 廣東造船，2005（01）：22-24.

[7] 張啟友. 船舶焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與變形仿真研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39（20）：25-27.