TRIZ在邮轮薄板焊接变形控制中的应用

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。