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一种新型船舶管道焊接辅助装置的设计与分析

摘要：如今，船舶管道对齐和焊接过程在确保装配方面起着主导作用造船过程的速度和船舶调试过程中的运行可靠性。然而，管道焊接质量在很大程度上依赖于造船厂人员的经验阻碍了焊接效率和精度的提高。本文开发了一种新型船舶管道焊接辅助装置（SPWAD）。它由液压缸驱动，并配有楔形力放大机构，能够更方便地对准，对中，锁定两条焊接管道可靠。通过有限元分析分析了SPWAD抗焊接应力的能力在ANSYS Workbench中，结果表明SPWAD能够抵抗某种焊接在极端条件下的压力进行了一系列的造船厂实验，证明了这一点焊接管道的最大同心度和非平行度为0.481 mm和2.615 mm分别采用SPWAD，并验证了其实用性。船舶管道的效率估计SPWAD焊接增加约5倍。

关键词：船舶管道、焊接辅助装置、有限元分析、造船厂实验

1.引言：

海上运输是国际贸易的关键，扩大全球经济。据报道，国际航运仍然是国际上的主要动脉，交易的估计份额在65％到85％之间（Fagerholt等人，2013）。人口增长，生活水平和人口增长工业化的能源需求都要求海运业的快速发展。在新的第一个十年千年，油轮的货物承载能​​力，干散货运输船和集装箱船分别增长了60％，65％和100％。海运石油量高达32.36亿2011年（Christiansen et al。，2013; Fang et al。，2006），航运业的重要性显而易见。然而，船舶的整体制造质量和效率限制了航运业快速扩张。容器中的海水腐蚀压载舱是一个非常严重的问题，永远不会太多重视（Melchers，2008）。例如，发货终实施维护以确保其主要功能系统，如推进，电力，空调等全面运作准备（Deris等，1999）。与此同时，频繁发生沉船灾难再次呼吁迫切需要改进船舶的整体制造质量。

管道系统是一个关键的out装组件之一船舶确保安全航行，工作寿命和时间电厂，甲板机械，镇流器的正常运行系统，生活设施和其他设备（McKesson，2012; Fu，2009）。它是传输蒸汽，空气，水，油和水的主要方式船上的其他动力，被认为是不可或缺的船的一部分。对于专业船舶，虽然数量整船的管道取决于尺寸和类型那艘船（例如，潜水支援船有更多的管道比挖泥船更容易达到5000件（Wei，2012）。该管道安装和连接已演变成其中之一如今的造船业主要流程，其中工作量约占总装配工时的9％（Cao et al。，2008）。它要求高焊接质量，主要取决于焊接技术和管道对准。但是，要保证管道的焊接质量连续焊接，直接焊接到标准，现有的管道加工线似乎不适合所有航运管道的大小，对其生产和加工造成严重的负面影响（Zhao et al。，2009; Li，Wang，2013）。

自20世纪60年代以来，各种定位焊接技术得到了发展，并在随后的几十年中不断进步。美国的CRC Industries率先进行了调查，其次是瑞士的ESAB公司和三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.) (We, 1998)。20世纪80年代末，随着计算机的应用，焊接过程中的自动控制程序已发展为自适应控制和智能控制，并取得了显著的发展。提高了生产效率。典型的计算机控制的自动焊管机有EASB、PROWWELDER-250、POLYSOUNDE、AUTOTIG-250 (Yapp and Blackman, 2004)。目前，自动焊机广泛应用于船舶管道制造过程中，以保证焊接质量，降低劳动强度。同时，针对大管径的全位置自动焊机系列的发展，使自动焊机不仅在直径10 - 200mm的小管材上以高效率著称，在直径500 - 1500mm的大管材上也获得了良好的口碑。图1(a)和(b)是两种典型的管道自动焊机(Chen, 2007)。图1 (b)所示为刚性气动夹紧装置和双驱动回转机构，焊接过程中可使两根钢管同步对中旋转。

虽然自动焊机提高了焊接效率和精度，但我们的现场研究表明，由于其价格较高，许多中小型船厂仍然倾向于选择手工焊接来降低成本，尤其是在目前经济状况不佳的情况下。图2显示了工人如何手动对齐两个管道。国内市场也有唐山开元机器人系统有限公司开发的半自动焊机，如图3所示。这种机器可以自动焊接，但管与法兰的对中仍需要点焊。这同样不能保证质量，而且很耗时。综上所述，对于国内客户，特别是中小型船厂来说，进口的自动焊机太贵了;普通手工焊接难以满足精度和效率的要求，将进一步降低船厂在严峻的造船市场上的竞争力。因此，迫切需要新的焊接设备。

图2所示。焊接前手动对中两根管子。

针对这些问题，本文研究了一种新型的船舶管道焊接辅助装置(SPWAD)。它携带方便，成本低，适用于中小型造船厂。该装置利用钢球楔力放大器，实现了船舶管道对中过程的高精度和高效率。第二部分是SPWAD的总体设计。第三节对焊接残余应力进行计算和分析，第四节专门对船厂进行实验验证该装置的参数。结论见第五节。

图3所示。半自动焊机。

图4所示。SPWAD原理图。

2. SPWAD设计

2.1。工作原理和功能

图4为SPWAD原理图。在工作过程中，SPWAD首先被放置在两个分开的管子之间，管子首尾相连，准备焊接。然后通过外部电源激活活塞和气缸，锁紧杆沿中心轴驱动，中心轴的锥形截面通过推挤弹性锁紧环，使钢球承受来自两根管道内壁的压力。这样，两条管道就对齐、居中并锁定。两根钢管焊接完成后，切断外部电源，通过弹簧的恢复力使气缸复位到原来的位置。最后，将设备从管道中取出。

SPWAD有两个主要功能。首先，利用液压传动系统的优势，焊接前对中、锁紧任意尺寸的两根钢管。与传统的拉丝、定位、点焊等工序对中方法相比，该方法操作方便，对中速度快。第二，SPWAD能够防止焊接变形。传统上，焊接残余应力是制造过程中不可避免的引入，是造成材料焊接变形的主要原因(Chen et al.， 2015)。但是，使用SPWAD可以增加管道的弯曲截面模块，进一步抵抗焊接残余应力。从而在很大程度上防止了管道的焊接变形。残余应力的计算将在本文后面进行描述。

2.2。总体设计

利用solidworks软件(Zhang and Chen, 2005)， SPWAD的总体设计如图5所示，其中图5a为爆炸图，图5b为原型机。

锁杆位于同心锁环内;钢球在锁紧杆与同心锁紧环之间呈周向均匀分布。弹性锁环上安装同心锁环防止钢球表面的脱落,液压缸组成的10 - 15,一部分是固定的锁定杆之间的连接通过其前端封面和杆的锁在墙上的线程,一旦连接到外部力量,它将推动锁定杆向右移动和定位管道位置。设备主要参数如表1所示:

图5所示。SPWAD (b) 1-同心锁紧环、2-钢球、3-弹性锁紧环、4-M6螺栓、5-铜环、6-M16螺栓、7-锁紧杆、8-球螺母、9-活塞杆固定板、10-前盖、11-弹簧、12-活塞杆、13-活塞、14缸壁、15-后盖的爆炸图(a)及原型。

2.3。锁定杆设计

锁紧杆采用楔型设计，在锁紧两条管道时起到SPWAD力放大器的作用。在图6中，锁杆上有四个相同的锥形截面。在锁紧杆与同心锁紧环之间放置钢球，构成接触运动副。当锁杆水平驱动进入同心锁环时，通过运动副，水平运动转化为垂直运动。因此，钢球被推到锥形截面的斜坡上，产生更大的反作用力。根据作用和反作用原理，同轴锁紧环与锁紧杆之间的摩擦力随之增大。该机构使同心锁环能更方便、可靠地锁住两条焊接管道。

计算参数L,alpha;和Delta;H楔形截面图7所示的描述如下:

L、a和Delta;H代表长度,分别倾斜角度和高度。

根据GB-T 17395-2008 (Standard, 2008)及船厂施工情况，常用管材厚度在6mm - 12mm之间，即，管材内径在195-207 mm范围内。因为同心锁环的厚度是设置为10毫米计算后,高度可以获得Delta;H= 16毫米的考虑可靠性、Delta;H是圆的20毫米。

计算楔形截面上作用于钢球上的滑动摩擦力f:

其中mu;是摩擦系数和m是钢球的质量。坡度方向重力分量为:

如果F1 =摩擦力f，则可以通过

由于摩擦系数mu;是根据手册设置为0.15(温家宝,2010),alpha;= 8.53°。这意味着如果alpha;le;8.53°,钢球具有自锁功能通过自己的摩擦。然而,根据Eq. (1),长度

它会导致锁杆过长。因此，考虑到紧凑性，在初步设计阶段,相应地,计算alpha;16°。

图6所示。锁杆的三维模型。

图7所示。截面楔形。

3.焊接残余应力的计算与分析是一种高浓度的焊接工艺

瞬态热部位。由于金属材料导热迅速，需要高浓热源将焊缝完全熔融，导致温度场极不均匀和不稳定。(Mente and Boellinghaus, 2012;潘芳，2008;Wahab等，2005)。焊接变形是焊接过程中最常见的问题之一。

在管道焊接过程中，由于管道内壁与外壁的温差，导致管道外壁产生热膨胀应力，而内壁产生热收缩应力。拉伸应力和压缩应力分别发生在高温侧和低温侧。如果温差较大，内壁会产生塑性变形，冷却后会产生残余拉应力。同时，焊缝的冷却收缩也会引起焊缝的收缩

焊缝两侧出现内凹，产生额外的弯矩和应力。因此，管道的内壁和外墙将分别产生轴向残余拉应力和轴向残余压缩应力(Ma-subuchi,1996;Fassani和Trevisan, 2003;Xu et al.， 2006)。

焊接变形对结构的强度、韧性和使用性有很大的影响，应引起重视。在本节中，我们首先计算了两对称点焊过程中产生的焊接残余应力，这是管道焊接中较为常见和有利的焊接方式，结果表明，SPAD能够承受极端条件下焊接残余应力产生的最大拉力。然后利用有限元分析软件ANSYS对SPAD的强度进行了分析，探讨了SPAD抵抗焊接残余应力的有效性。

3.1。焊接残余应力的计算

在管道焊接过程中，传统的焊接方法有单点焊、双对称点焊、多点焊同时进行等。其中手工焊接多采用单点焊方式，机器焊接多采用两种对称点焊方式。采用双对称点焊方法，比手工单点焊方法一次只焊一条焊缝的焊接效率提高了一倍。然而，考虑到熔池凝固收缩的影响，两个对称点焊通常产生较大的焊接残余应力(Lotsberg, 2008;周等，2004)。

图8为单点焊过程。一个焊接头从A点顺时针方向开始，绕一个完整的圆，应力沿焊缝圆均匀发生。在图9中两个对称点焊接过程中，两个单独的焊接头同时从A点开始，顺时针和逆时针对称运行。结果表明:A点焊缝首先凝固，未产生应力;B点焊缝最终凝固，然后在A点处堆积两侧残余应力，产生较大弯矩。

为了准确分析和计算两对称点焊法过程中产生的残余焊接应力，根据有限元分析原理，将管道截面平均分为8个截面，如图10所示。

在极端情况下,最大的焊接应力sigma;A现货管道sigma;S达到屈服强度,即sigma;sigma;= s自管

图8所示。单点焊示意图。

图9所示。两个对称点焊示意图。

图10所示。两对称点焊分析图。

材料Q235不锈钢和beta;= 90°F的张力由焊接应力引起的点A可得到(Ni

et al .,2010):

其中t为管的厚度，R为管的外半径。参考材料力学(Ni et al.， 2010)，弯曲

焊接应力引起的力矩M可计算为:

M=FR

推导出：

两个管道的焊接残余应力sigma;,W是弯曲部分模块。由于管道截面为空心和圆形，W可以计算如下:

在此，我们计算了最坏情况下焊接残余应力引起的最大拉伸力F。承担管道的外径和内径D=219毫米d=199毫米的屈服应力Q235不锈钢sigma;S=235 MPa。根据情商。(10),可以计算焊接残余应力sigma;=269.8 MPa。根据情商。(5)、最大拉伸力F=404 kN。

由于楔形角是°16,为了抵抗最大拉伸力,所需的最小液压缸的输出力至少

。考虑到机械效率eta;为0.9(徐和陈,2011),液压缸的驱动力可以获得。这意味着气缸的尺寸必须允许其自身输出至少128kn的力，以承受最大焊接残余应力所引起的拉力。在我们的研究中，将缸的外径Dc设为90mm，根据要求的安全压力将缸的工作压力P1设为25mpa (Xu and Chen, 2011)。这样我们可以计算

大于128kn。这证明了该装置缸体设计合理，能承受最大的拉力。

3.2。本文采用有限元分析软件ANSYS对SPWAD进行了抗焊接应力的有限元分析

分析SPWAD的强度，评价其抗焊接应力的有效性。轴向共4个相同的锥形截面，取其中一个截面简化计算过程如图11所示(Shojaei et al.， 2012;潘等，2012;Sun等，2012;Bektas and Akca, 2012)。

根据上述结果,两个管道的张力,导致焊接应力,是Ffrac14;404 kN;楔力放大器之间的角度和墙是16°,所以水平张力F1可以算出了情商。(11):

液压缸的机械效率eta;m为0.9,由液压缸F2支撑的拉力为由式(12)计算(Ni et al.， 2010):

因此，锁紧杆在工作过程中的张力为128kn。考虑力和约束的边界条件，器件的应力变形图和变形变形图分别如图11和图12所示。

由图11(a-d)可知，各构件的最大应力值如表2所示。结果表明，除钢球外，各构件的最大应力值均较低。其中，各部分的材料也如表2所示(Wen, 2010)。工作时，钢球接触类型为点接触，因此接触应力最大。但由于钢球

资料编号：[5383]