TRIZ在郵輪薄板焊接變形控制中的應用

司昊宸，李守根，朱加雷，焦向東，于學超

1.北京石油化工學院機械工程學院 北京 102617

2.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 序言

高強鋼在大型郵輪建造中的廣泛應用，減輕了結構自重，提高了船舶的航行性能和船舶能效。郵輪船體結構板厚較小，尤其是上層建筑和甲板室，焊接環節容易產生波浪變形，引起船體結構錯位，對郵輪美觀和航行性能產生嚴重影響。此外，郵輪屬于定制產品，延期違約還會導致經濟和法律問題。因此，快速準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理論作為一種創新方法，可以系統地提供發現、解決技術問題的理論和方法，受到了技術人員的青睞[1]。MARCEL等[2]利用TRIZ理論解決了超聲波焊機的電動機安裝剛度低、正定變異性小、放置變異性小的問題；WANG[3]通過TRIZ理論映射技術問題，設計了一種末端執行器，提高了電火花加工應用范圍。盛精等[4]基于TRIZ理論將焊接接頭曲面化設計改為直角面形式、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，針對自動焊接工裝夾具在焊接過程中轉動不平衡的問題，提出了4種改進方案；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定、試件較多時工作疲勞等問題，基于TRIZ理論進行了功能分析，并利用矛盾矩陣和發明原理改進了焊接裝置；李金鳳等[7]等利用TRIZ理論設計了一種新構型的拖拉機混合動力系統，并通過仿真模擬和實車測試，驗證了該動力系統的有效性。綜上所述，TRIZ理論作為一種創新方法，可用于有效解決工程生產中的技術問題。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生變形，變形尺寸在5～30m m，會影響后期裝配作業。為了減少焊接變形，提升郵輪生產進度，希望母板焊接處受熱、降溫均勻，實現熱脹冷縮均衡，然而不同位置焊接必然存在時間差，很難保證焊接點的同步性，導致上述問題不易解決。

當前，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生改變，降低精度；另外，采取現有的焊接變形控制方法需額外采購設備（壓彎機、矯正機及加熱機等），將增加時間和人工成本，提高薄板焊接變形的控制系統復雜度，影響生產效率。

由于鋼材熱脹冷縮是不可避免的，因此通過實現母板焊接處熱脹冷縮均衡，可避免出現裂紋、應力形變，有效控制薄板溫度、焊接效率，降低成本投入，解決現有技術沖突，從而保證郵輪生產進度和安全性。

3 功能分析

針對郵輪薄板焊接建造過程進行功能和因果分析，建立了焊接變形的功能模型（見圖1），隨后對原始問題進行聚焦和擴展，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，焊接熱輸入大導致的焊接件抗彎能力差、焊接散熱慢且不均勻導致的殘余應力，以及固定引起的焊接件受力不均勻，是導致薄板焊接變形的關鍵。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

焊接時的大量熱輸入會導致變形；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，但會提高焊接系統的復雜性，增加時間損失。采用TRIZ理論確定了待改進的參數及不能削弱的參數，得到的技術矛盾矩陣見表1。

表1 矛盾矩陣表

5 解決方案

根據40項發明原理，由表1得到的可采用發明原理共計17種，見表2。

表2 可采用的發明原理

結合郵輪建造薄板焊接過程的特點，在上述發明原理中有6條可以應用，分別是分段原理、預先作用原理、反向作用原理、機械系統替代原理及轉變物理/化學狀態原理。經專業知識具體化，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；在靠近焊接變形區采用剛性固定的方法，減小變形應力；結合反向作用的原理在易發生變形區預先施加反向作用力，產生一定的變形量，從而抵消焊接變形；焊接變形受熱輸入的影響，故可采用更加先進的焊接裝置系統，如激光復合焊等，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行振動，消除內部應力，從而減少變形量。

6 結束語

TRIZ理論是解決生產過程中技術問題的有效工具，可以幫助生產人員快速發現問題并提供解決方案，對實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行剖析，利用矛盾分析理論發明原理對薄板焊接變形控制提供了解決方案。