TRIZ在郵輪薄板焊接變形控制中的應(yīng)用

司昊宸，李守根，朱加雷，焦向東，于學(xué)超

1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 北京 102617

2.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

高強(qiáng)鋼在大型郵輪建造中的廣泛應(yīng)用，減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了船舶的航行性能和船舶能效。郵輪船體結(jié)構(gòu)板厚較小，尤其是上層建筑和甲板室，焊接環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生波浪變形，引起船體結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，對郵輪美觀和航行性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，郵輪屬于定制產(chǎn)品，延期違約還會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和法律問題。因此，快速準(zhǔn)確定位焊接變形原因、提出解決方案是郵輪順利建造的有效途徑。

TRIZ理論作為一種創(chuàng)新方法，可以系統(tǒng)地提供發(fā)現(xiàn)、解決技術(shù)問題的理論和方法，受到了技術(shù)人員的青睞[1]。MARCEL等[2]利用TRIZ理論解決了超聲波焊機(jī)的電動(dòng)機(jī)安裝剛度低、正定變異性小、放置變異性小的問題；WANG[3]通過TRIZ理論映射技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種末端執(zhí)行器，提高了電火花加工應(yīng)用范圍。盛精等[4]基于TRIZ理論將焊接接頭曲面化設(shè)計(jì)改為直角面形式、降低模具溫度至80℃的方式，使塑料離合器總泵的密封性問題得到改善；賈金龍等[5]通過TRIZ理論，針對自動(dòng)焊接工裝夾具在焊接過程中轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡的問題，提出了4種改進(jìn)方案；李航等[6]針對超聲波輔助焊接過程中人工手持超聲波振桿不穩(wěn)定、試件較多時(shí)工作疲勞等問題，基于TRIZ理論進(jìn)行了功能分析，并利用矛盾矩陣和發(fā)明原理改進(jìn)了焊接裝置；李金鳳等[7]等利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了一種新構(gòu)型的拖拉機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并通過仿真模擬和實(shí)車測試，驗(yàn)證了該動(dòng)力系統(tǒng)的有效性。綜上所述，TRIZ理論作為一種創(chuàng)新方法，可用于有效解決工程生產(chǎn)中的技術(shù)問題。因此，本研究擬采用TRIZ理論分析郵輪建造過程中薄板焊接變形問題，從而提出解決方案。

2 問題背景描述

郵輪建造過程中采用的薄板厚度為4～8mm，在焊接過程中極易產(chǎn)生變形，變形尺寸在5～30m m，會影響后期裝配作業(yè)。為了減少焊接變形，提升郵輪生產(chǎn)進(jìn)度，希望母板焊接處受熱、降溫均勻，實(shí)現(xiàn)熱脹冷縮均衡，然而不同位置焊接必然存在時(shí)間差，很難保證焊接點(diǎn)的同步性，導(dǎo)致上述問題不易解決。

當(dāng)前，矯正是焊接變形控制采用的主要方法，該方法會使板材的長度發(fā)生改變，降低精度；另外，采取現(xiàn)有的焊接變形控制方法需額外采購設(shè)備（壓彎機(jī)、矯正機(jī)及加熱機(jī)等），將增加時(shí)間和人工成本，提高薄板焊接變形的控制系統(tǒng)復(fù)雜度，影響生產(chǎn)效率。

由于鋼材熱脹冷縮是不可避免的，因此通過實(shí)現(xiàn)母板焊接處熱脹冷縮均衡，可避免出現(xiàn)裂紋、應(yīng)力形變，有效控制薄板溫度、焊接效率，降低成本投入，解決現(xiàn)有技術(shù)沖突，從而保證郵輪生產(chǎn)進(jìn)度和安全性。

3 功能分析

針對郵輪薄板焊接建造過程進(jìn)行功能和因果分析，建立了焊接變形的功能模型（見圖1），隨后對原始問題進(jìn)行聚焦和擴(kuò)展，找到了引起焊接變形的不同原因，如圖2所示。從圖2可得出，焊接熱輸入大導(dǎo)致的焊接件抗彎能力差、焊接散熱慢且不均勻?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力，以及固定引起的焊接件受力不均勻，是導(dǎo)致薄板焊接變形的關(guān)鍵。因此，若要采用合適的方法削弱焊接過程中板材的變形量，則需要從焊接方法、固定方式、焊接材料及冷卻速度等影響因素綜合考慮。

圖1 功能模型

圖2 焊接變形原因映射圖

4 矛盾分析

焊接時(shí)的大量熱輸入會導(dǎo)致變形；通過提高散熱面積、改善受力均勻性雖然可以一定程度上降低焊接變形，但會提高焊接系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加時(shí)間損失。采用TRIZ理論確定了待改進(jìn)的參數(shù)及不能削弱的參數(shù)，得到的技術(shù)矛盾矩陣見表1。

表1 矛盾矩陣表

5 解決方案

根據(jù)40項(xiàng)發(fā)明原理，由表1得到的可采用發(fā)明原理共計(jì)17種，見表2。

表2 可采用的發(fā)明原理

結(jié)合郵輪建造薄板焊接過程的特點(diǎn)，在上述發(fā)明原理中有6條可以應(yīng)用，分別是分段原理、預(yù)先作用原理、反向作用原理、機(jī)械系統(tǒng)替代原理及轉(zhuǎn)變物理/化學(xué)狀態(tài)原理。經(jīng)專業(yè)知識具體化，提出解決問題的可行性方案見表3。大型郵輪建造過程中出現(xiàn)薄板焊接變形，可采用分段建造的方式，減小一次焊接長度；在靠近焊接變形區(qū)采用剛性固定的方法，減小變形應(yīng)力；結(jié)合反向作用的原理在易發(fā)生變形區(qū)預(yù)先施加反向作用力，產(chǎn)生一定的變形量，從而抵消焊接變形；焊接變形受熱輸入的影響，故可采用更加先進(jìn)的焊接裝置系統(tǒng)，如激光復(fù)合焊等，通過控制焊接速度、激光功率、焊接電流及電弧電壓等減小整體熱輸入；此外，還可采用超聲波等后處理方法對焊接變形進(jìn)行振動(dòng)，消除內(nèi)部應(yīng)力，從而減少變形量。

6 結(jié)束語

TRIZ理論是解決生產(chǎn)過程中技術(shù)問題的有效工具，可以幫助生產(chǎn)人員快速發(fā)現(xiàn)問題并提供解決方案，對實(shí)際工程問題的解決具有重要意義。本研究通過TRIZ理論對郵輪建造過程中薄板焊接變形問題進(jìn)行剖析，利用矛盾分析理論發(fā)明原理對薄板焊接變形控制提供了解決方案。