一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置与方法

摘要

本发明公开一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置与方法，包括温度调节装置、温度测量装置、计算机温控装置。所述温度调节装置包含多个制冷单元、加热单元、电源、继电器，通过导线连接在回路中，加热单元和制冷单元布置于焊接板材上，通过控制加热/制冷单元的开启和关闭实现焊接板材整体温度的控制。所述温度测量装置布置于加热/制冷单元附近钢板上，用于测量对应位置的温度，并反馈。所述计算机温控装置与温度调节装置中的继电器和温度测量装置相连，获取温度测量装置反馈结果并通过控制继电器的通断控制制冷/加热单元的开启与关闭。本发明结构简单、易于实现，可以在焊接过程中改变零件变形状态和温度场分布，减少焊后变形。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶焊接变形控制领域，尤其涉及一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置与方法。

背景技术

船舶大尺寸分段焊接时，由于受热不均匀，使得在分段表面很容易产生凹凸不平、显现出内部肋板架构的现象，称为“瘦马现象”。由于船舶大尺寸结构设计复杂，制造精度要求高，对于船板焊接变形控制要求极高。采用传统的埋弧焊及半自动气保焊等方法进行施焊，由于焊接热输入量大，将产生较大焊接变形，而施加强拘束会带来残余应力的增加，残余应力在后续装焊过程中仍会影响焊接精度；焊后矫正方法会增加很大工作量，均难以满足船舶大尺寸分段焊接的精度要求。因此，需要研究新型焊接变形控制方法是船舶大尺寸分段焊接生产线工艺流程中亟待突破的关键。

激光电弧复合焊以激光热源为主体，以电弧热源作为第二热源，两者相互复合作用于同一熔池，这样的复合焊接方式综合了激光焊和电弧焊的优势，具有焊接速度快、热影响区小、变形小等诸多优点。因此，从技术特性上来看，激光电弧复合焊适合船舶大尺寸分段生产线的制造需求。船舶零件焊缝通常为几米甚至数十米。长焊缝焊接时，由于焊接的时间差，后焊部分在焊接时，先焊部分已经制冷凝固，后焊部分凝固时不仅受到自身凝固的收缩力作用，同时还受到先焊部分的拉伸作用，焊缝长度方向的热应力分布不均匀性严重；船舶中的薄板可达到5至8mm，相较于传统船舶板厚为20mm以上，薄板在焊接时，零件的刚性更差，薄板焊接变形极为复杂，会出现马鞍形等复杂形状的屈曲变形。

由此可见，船舶大尺寸分段焊接的问题主要来源于热应力分布的不均匀性，设计合理的温度场调控方法，是解决船舶大尺寸分段激光复合焊接变形控制的关键。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置与方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：设计合理的温度场调控装置和方法实现对船舶大尺寸分段的焊接变形控制，抑制因热应力分布不均匀带来的零件屈曲变形问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置，其特征在于，包括温度调节装置、温度测量装置和计算机温控装置；

所述温度调节装置包含多个制冷单元、加热单元、电源、继电器，通过导线连接在回路中，加热单元和制冷单元布置于焊接板材上，布置于焊接板材上，由所述计算机温控装置根据焊接时刻和所述温度测量装置测得结果控制所述温度调节装置中的制冷单元和加热单元的开启、关闭时刻，制冷单元的添加可以有效减少焊缝周围的热量，对焊缝起到冷却作用，同时使得焊接方向的热量分布更加均匀，以减少焊缝收缩力，从而降低屈曲变形产生的可能性。加热单位的添加可以在垂直与焊缝方向形成热拉伸力，以抑制焊缝的横向收缩，并使得垂直与焊缝方向的热量分布更加均匀，以减少焊缝收缩力，从而减小焊后变形，降低屈曲变形产生的可能性；

所述温度测量装置包含多个测温单元，布置于所述温度调节装置中的加热单元/制冷单元附近钢板上，用于测量对应位置的温度，并将测量结果反馈给所述计算机温控装置；所述计算机温控装置与温度调节装置中的继电器和温度测量装置相连，获取温度测量装置反馈结果并通过控制继电器的通断控制制冷/加热单元的开启与关闭。

进一步地，所述温度调节装置中的加热单元/制冷单元可配置为半导体制冷片或者热电阻。

进一步地，所述温度调节装置中的加热单元/制冷单元的布置方式为外置装夹或者热熔胶固定。

进一步地，所述温度调节装置中的制冷单元与加热单元的作用时段可为在焊接全程保持制冷/加热、在焊接过程中的某一时刻开启制冷/加热至焊接结束、在焊接过程中的某一时刻开启制冷/加热至后续后续测温装置测得焊缝周围温度与附近的所述温度调节装置中的制冷单元、加热单元附近的钢板温度温度差小于100摄氏度。

进一步地，所述温度测量装置中的测温单元可配置为热电偶。

进一步地，其特征在于，所述计算机温控装置可配置为PLC或者工控机。

进一步地，所述温度调节装置中的加热或者制冷单元的布置方式可以根据不同零件的焊缝数量、焊缝分布和变形特点进行布置优化，在船舶大尺寸分段焊接前，可以利用理论分析和有限元分析方法，分析零件临界屈曲应力和同一焊接参数下临界屈曲尺寸、焊后屈曲变形形式，并分析改变加热/制冷单元的布置间距、数量、位置对零件屈曲变形的抑制效果，以获得优化的制冷/加热单元布置方式。

进一步地，所述温度调节装置中的加热或者制冷单元可以在焊接过程中进行合理的移动，从而简化加热或者制冷单元所需的数量。

进一步地，所述计算机温控装置可以与实时的焊接变形测量和焊接熔池状态检测设备相结合，以提供最优的加热、制冷单元开启或关闭时刻的决定。

本发明还提供一种船舶大尺寸分段焊接变形控制方法，采用所述一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置进行焊接变形控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对待焊零件表面进行预处理，保证表面清洁；

步骤2、通过热熔胶或夹具夹持将所述制冷单元、所述加热单元固定在待焊零件表面；

步骤3、将所述制冷单元、所述加热单元通过导线与所述继电器和所述电源相连，并将所述继电器和所述计算机温控装置相连；

步骤4、在所述制冷单元、所述加热单元附近布置所述温度测量装置，并与所述计算机温控装置相连；

步骤5、对待焊板进行激光电弧复合焊接；

步骤6、通过所述计算机温控装置，根据焊接时刻开启垂直焊缝方向临近位置的所述制冷单元、所述加热单元，并通过所述温度测量装置监测其温度；

步骤7、当焊缝周围温度与附近的所述制冷单元、所述加热单元附近的钢板温度相近时，关闭对应位置处的所述制冷单元和所述加热单元；

步骤8、直至整个焊接完成，关闭所有所述温度测量装置与所述制冷单元、所述加热单元。

进一步地，所述步骤5中激光电弧复合焊接的参数是激光功率12.8kw,电弧焊电流328A，电压31.3V，送丝速度13.8m/min，焊接速度240cm/min，光丝间距为3mm，采用电弧引导方式。

进一步地，所述步骤6中，垂直焊缝方向临近位置是指距离小于150mm范围内。

进一步地，所述步骤7中，当焊缝周围温度与附近的所述制冷单元、所述加热单元附近的钢板温度差小于100摄氏度时，关闭对应位置处的所述制冷单元和所述加热单元。

本发明的有益效果如下：

本发明结构简单、易于实现，可以在焊接过程中改变零件变形状态，加热单元生成的热拉伸作用和冷却单元对焊缝的冷却作用都能有效减少焊缝的焊后收缩力，抑制因船舶大尺寸分段的屈曲变形，可以将船舶大尺寸分段激光复合焊接过程的焊接变形减少50％以上。加热/制冷单元布置方便提高了装置的实用性。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的温度调节装置中的加热/制冷单元布置位置图；

图3是本发明一个较佳实施例的温度调节装置中的加热/制冷单元尺寸示意图；

图4是本发明一个较佳实施例的船舶大尺寸分段焊接变形控制方法的流程示意图；

图5是本发明一个较佳实施例的船舶大尺寸分段焊接变形控制装置的实施预计效果示意图。

附图标记，1-电源，2-继电器，3-电弧焊焊枪，4-激光焊焊枪，5-计算机温控装置，6-待焊零件，7-加热单元，8-温度测量单元，9-制冷单元，10-温度测量装置，11-温度调节装置。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

本发明提供一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置与方法。

如图1所示，本发明的一个较佳实施例的一种船舶大尺寸分段焊接变形控制装置的结构示意图；包括电源1、继电器2、电弧焊焊枪3、激光焊焊枪4、计算机温控装置5、待焊零件6、加热单元7、温度测量装置8、制冷单元9、温度测量装置10、温度调节装置11。温度测量装置10包含24个温度测量单元8，温度调节装置11包含2个制冷单元9和2个加热单元7，加热/制冷单元布置于焊接板材6上，本示例中待焊钢板6利用激光电弧复合焊系统包括电弧焊枪3和激光焊焊枪4进行焊接，各个加热单元7、制冷单元9与电源1和继电器2通过导线相连形成温度调节装置11，继电器2和温度测量单元8与计算机温控装置5通过导线相连，由计算机温控装置5根据焊接时刻和温度测量单元8所测的温度值控制各个加热单元7、制冷单元9的开启、关闭时刻。

如图2所示，本发明的一个较佳实施例的温度调节装置中的加热/制冷单元布置位置图，选用12个加热单元7和12个制冷单元9，选用24个温度测量单元8，分六行排列，局部放大图显示出制冷单元和加热单元的工作形式和接线方式。

如图3所示，本发明的一个较佳实施例的温度调节装置中的加热/制冷单元尺寸示意图，单个加热/制冷单元长、宽为100mm、高10mm。局部放大图显示出制冷单元由若干半导体组成、加热单元由热电阻组成。

如图4所示，本发明的一个较佳实施例的船舶大尺寸对接零件焊接变形控制过程的流程示意图：

步骤1、对待焊零件6表面进行预处理，保证表面清洁；

步骤2、通过热熔胶或夹具夹持将制冷单元9、加热单元7固定在待焊零件6表面；

步骤3、将制冷单元9、加热单元7通过导线与继电器2和电源1相连，并将继电器2和计算机温控装置5相连；

步骤4、在制冷单元9、加热单元7附近布置温度测量单元8，并与计算机温控装置5相连；

步骤5、对待焊板6进行激光电弧复合焊接；

步骤6、通过计算机温控装置5，根据焊接时刻开启垂直焊缝方向临近位置的制冷单元9、加热单元7，并通过温度测量装置10监测其温度；

步骤7、当焊缝周围温度与附近的制冷单元9、加热单元7附近的钢板温度相近时，关闭对应位置处的制冷单元9、加热单元7；

步骤8、直至整个焊接完成，关闭所有温度测量装置10与温度调节装置11。

如图5所示，本发明一个较佳实施例的船舶大尺寸分段焊接变形控制装置的实施预计效果示意图，对比是否采用本发明装置待焊板6激光复合焊接后，其边缘线L1垂直于板材方向的焊后变形，可以发现采用本发明所用的装置与方法可以抑制板材的屈曲变形，并将总体焊接变形降低约70％，不采用本装置和方法时，边缘线L1的最大正向变形为2.8mm,最大反向变形为-4.6mm，采用本装置和方法时，最大正向变形为1.2mm，最大反向变形为-1.4mm。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。