面向智能制造的焊接工艺模型设计薛念亮

面向智能制造的焊接工艺模型设计薛念亮

薛念亮

大连中远海运重工有限公司辽宁大连116113

摘要：对我国船舶业界来说，相比西方国家的科技创新发展还有所不足，因此，为了提高我国航运在世界市场上占据的地位，就必须加大科技创新的力度，推动我国船舶设计尽快完成智能化的探索，由“中国制造”变为“中国智造”。

关键词：技术；工艺；设计

1.我国智能造船的发展以及现状

2018年12月28日，工业和信息化部、国防科工局印发《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019-2021年）》（以下简称《行动计划》）。旨在加快新一代信息通信技术与先进造船技术深度融合，逐步实现船舶设计、建造、管理与服务全生命周期的数字化、网络化、智能化，推动船舶总装建造智能化转型，促进船舶工业的高质量发展。《行动计划》的推出，将对我国船舶工业发展产生深远影响。随着信息通信技术快速更迭，数字化、网络化、智能化渐成为未来制造业发展的主要趋势，世界主要造船国纷纷加快智能制造步伐。

我国出台的《行动计划》正是结合了新时代我国船舶工业转型升级的发展需要，充分考虑了当前智能制造发展趋势，紧扣行业特点与需求，坚持问题导向，以全面推进数字化造船为重点，以关键环节智能化改造为切入点而提出的。数字化被认为是智能制造的开端和基础，主要特征包括数字化技术（如数控机床）的广泛应用、计算机辅助设计与制造（如CAD、CAPP、CAM）的兴起、生产过程管控信息化（如ERP、MES）等。“数字化的核心特征为计算机技术的应用。在智能船舶的定义和规范方面，我国走在了世界前列，并且体系更为全面。

2017年12月，中国船舶工业集团公司研制的iDolphin38800吨智能散货船“大智”轮获得中国船级社（CCS）和劳氏船级社（LR）授予的智能船符号，成为首艘通过船级社认证的智能船舶，也成为了我国智能船舶发展的里程碑事件。焊接技术在制造业领域扮演着不可或缺的角色，在智能制造技术的冲击下也将迎来新一轮革新。船舶行业的生产管理，以中间产品为导向，采取集中粗放式、劳动密集型生产模式，现在也逐步向精细化管理、智能生产制造转变。焊接作业作为船舶建造的主要施工方式，智能焊机管控（焊接设备智能管理控制）技术和焊接机器人的引入，使焊接智能化作业模式逐步取代原有的作业模式，为船舶的焊接质量和焊接效率提供了保证。焊接作业的智能化管控和施工需要全方位船体焊接建模设计数据作为理论依据。

2船舶焊接材料的应用

2.1焊条电弧焊焊材

高效铁粉焊条、立向下焊条、重力焊条是发展最早的船舶焊接材料，但是随着CO2气体保护焊的崛起，已经处于退居二线的地位。

2.2气体保护电弧焊焊材

气体保护电弧焊用焊丝是从实心焊丝逐渐向药芯焊丝发展过渡，这使得我国船厂焊工人均日焊接材料的耗量从上世纪80年代初5kg/人日，提高到2010年20kg/人日，并进一步缩短了船舶建造周期，降低了造船成本。

2.3埋弧焊焊材

在船厂的平面分段焊接拼板工位上所应用的FCB法（焊剂铜垫板法）、RF法（热固型焊剂衬垫单面埋弧焊）、FAB法（焊剂石棉衬垫单面焊）等高效埋弧焊工艺所用的焊丝、焊剂都尚依赖从国外进口。

2.4新型焊接材料的开发及期望

我国在造船中遇到的一些船舶焊接技术难题寄希望于研发新型焊接材料。①船舶厚板和超厚板的打底焊焊道常会出现裂纹，严重影响了船舶建造进度和质量，迫切需要开发打底焊专用药芯焊丝。②在船台大合拢横向自动焊时使用的金红石酸性渣条无缝镀铜药芯焊丝尚需依赖进口，亟待需开发“快凝渣型”的药芯焊丝。③国产强度等级500MPa、600MPa的强迫成型气电垂直焊专用药芯焊丝在应用中与进口的垂直焊药芯焊丝相比尚有提升空间。今后几年我国造船焊接材料的发展适宜向两个方向：①进一步增加药芯焊丝的使用量，并向多品种化发展。②为适应新钢种的发展宜采用新型的焊接材料。

3SYSWELD软件在焊接中的实例模型

本节以航空零件的典型结构-T型接头为研究对象，应用SYSWELD对其激光焊接过程进行仿真，研究单条焊缝不同的焊接顺序对残余应力及焊接变形的影响。

3.1几何模型

TC4钛合金T型接头的几何信息如下，腹板尺寸：180*50*2mm，翼板尺寸：180*25*2mm，焊缝形状为三角形。模型网格采用八节点六面体单元。

3.2焊接方案

针对T型接头单条焊缝的焊接顺序，提出四种不同的焊接方法，其中菱形代表起焊点，箭头代表焊接路径，数字代表焊接顺序，如图1所示。

图1焊接方案

3.3热源

热源模型的选择取决于熔池形态、传热区域、焊接模拟过程等。本文针对激光焊接工艺选用3D高斯热源模型。

3.4夹持与冷却条件

夹持条件（1）：约束腹板下表面外侧的四点，分别固定其YZ方向以及Y方向的平动自由度。夹持条件（2）：对腹板上表面以及翼板两侧平面进行弹性约束。焊接过程采用条件（1）与条件（2）相结合的夹持方式；冷却过程采用条件（1）的夹持方式。冷却过程设置环境温度为20摄氏度，冷却方式采用空气冷却，热交换面为模型的外表面单元，冷却时间为0-1800s。

4.WELDPLANNER软件焊接中的实例模型

以带筋壁板为研究对象，应用WELDPLANNER对其加强筋的焊接过程进行仿真，研究多条焊缝的不同焊接顺序对焊接变形的影响。

4.1几何模型

带筋壁板模型如图2所示。蒙皮尺寸为：1090*820*2mm，四根加强筋的高度均为26mm，厚度为2mm。其中1，2号加强筋两侧各有四条焊缝；3，4号加强筋两侧各有两条焊缝，共12条焊缝。

4.2焊接方式

采用激光焊接，选用6mm的熔宽。

4.3夹持条件

4.3.1蒙皮的夹持方式：在仿真的过程中，选取蒙皮边缘的四条边进行固定约束，即约束四条边的三个平动自由度

4.3.2加强筋的夹持方式：在每条加强筋上选取其两端作为约束部位，每部分选取有一定距离的两个点，固定其法向的平动自由度。

4.4焊接顺序方案及成形结果

本文针对焊接顺序对焊接变形量的影响提出四种焊接顺序的方案：

（1）1-2-3-4；（2）2-1-3-4；（3）3-4-1-2；（4）3-4-2-1。

在焊接之前通过仿真软件对相应工艺流程仿真并进行工艺优化已经成为了一种可以有效降低成本，减少重复试验次数的手段。不同仿真软件的特点与应用对象均不相同，因此针对不同焊接工艺及不同焊接对象时选择合适的软件进行仿真才能确保计算效率的高效与结果的准确。

结语

在当前的世界经济大环境下，运输业的利润日益增高，而在诸多的运输方法中，船舶运输的利润可以称得上十分庞大，但是目前来说，全球的航运市场持续走低，产能过剩，市场的竞争也十分激烈，因此，为了振兴船舶制造和航运，加快航运行业焊接技术创新推动产业发展，是船舶行业的必经之路。

参考文献：

[1]工业和信息化部印发《两化深度融合创新推进2016专项行动实施方案》[EB/OL].

[2]王鸿斌.船舶焊接工艺[M].北京：人民交通出版社，2006.