CN105312740B - 一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法及装置。所述变形控制装置包括主体结构和预拉伸应力施力结构，所述主体结构包括顶架、可移动施力装置和多个立柱，所述可移动施力装置可移动的设置于顶架中部；所述可移动施力装置包括一个中间梁吊和两个侧梁吊组，中间梁吊下方设有一个动滑轮；所述预拉伸应力施力结构设置在动滑轮下方，所述预拉伸应力施力结构包括自上而下设置的钢质夹板和收弧板。所述变形控制方法为使用上述变形控制装置进行变形控制的方法。本发明适合于船体建造的舱室立向对接焊缝焊接，解决了船体舱室立向焊接变形大以及刚性约束不足而产生较大焊接变形等一系列问题。
Description
技术领域
本发明属船舶装焊技术领域，具体涉及一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法及装置。
背景技术
高速铝质舰船的舱室主要采用3～5mm厚铝合金薄壁结构焊接而成，由于铝合金在二三百摄氏度以上温度的弹性模量和屈服强度很小，抗变形能力差；并且铝合金材料的热导率、热膨胀系数大，焊接高温区范围较宽，焊接应力、变形比较大，进而导致立向对接焊缝的船体舱室变形较大。为解决上述问题，实际生产中采用加强角铝、横排等方法来进行约束，但该方法不能有效抑制舱室立向焊缝的纵向收缩，也不能降低舱室焊接接头中的残余应力水平，待加强角铝、横排等拆除后，变形又会出现。经过大量现场实践发现，壁板舱室的焊接变形一旦产生，后续矫正十分困难。不仅浪费了大量人力、物力，降低了建造效率；同时由于加强角铝、横排等的装焊与拆除，又会破坏舱室表面质量，降低船体的耐腐蚀性能，降低生产效率。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述存在的问题和不足，提供一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法和装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置，包括主体结构和预拉伸应力施加结构，所述主体结构包括顶架、可移动施力装置和多个立柱，多个立柱的上部固定在顶架底面或侧面，所述可移动施力装置可移动的设置于顶架中部；所述可移动施力装置包括一个中间梁吊和两个侧梁吊组，两个侧梁吊组分别位于中间梁吊的两侧，每个侧梁吊组含有两个侧梁吊，每个侧梁吊下端连接一个刚性夹具，所述刚性夹具内嵌有电磁铁，中间梁吊下方设有一个动滑轮；预拉伸应力施力结构设置在动滑轮下方，所述预拉伸应力施力结构包括自上而下设置的钢质夹板和收弧板。
优选地，所述顶架上设有第一导轨组和与其垂直的第二导轨组，可移动施力装置可滑动的安装在第一导轨组上，第一导轨组可滑动的安装在第二导轨组上。
优选地，所述可移动施力装置包含安装板，所述安装板上安装中间梁吊和两个侧梁吊组，所述安装板上设有两个与第一导轨组平行的滑槽，每个滑槽内安装两个侧梁吊。
优选地，所述安装板底部设有若干个第一滑块，第一滑块可沿第一导轨组滑动。优选地，所述第一滑块有2-6个。
优选地，所述第一导轨组底部设有若干个第二滑块，第二滑块可沿第二导轨组滑动。
更优选地，所述第一导轨组包含两条第一导轨，每条第一导轨的两端底部各设有一个第二滑块。
优选地，每个侧梁吊包含顶部的轴承和与轴承相连的连杆，连杆底部连接刚性夹具，连杆可绕轴承转动，以使刚性夹具的接触面与待焊壁板贴合。
优选地，所述嵌在刚性夹具内的电磁铁，在通电后产生磁力，可使刚性夹具对待焊壁板施加垂直于待焊壁板的挤压作用。
优选地，所述立柱为伸缩立柱，优选为液压伸缩立柱，可以调整立柱的高度，便于不同高度舱室壁板的焊接，同时保证预应力为恒定值。
优选地，所述钢质夹板底部中间开有凹槽，收弧板通过紧固件安装在凹槽内。优选地，所述钢制夹板上部设有拉环，所述拉环与动滑轮连接。
优选地，所述顶架上设有吊环，以便于本发明变形控制装置的移动。
优选地，所述立柱底部设有立柱底座，以使本发明变形控制装置更稳固的放置于船体底板上，并防止船体底板被拉起来。
优选地，所述顶架为矩形，所述立柱有四根，四根立柱分别位于矩形顶架的四角。
优选地，本发明铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置还包含应变片和应力测试仪，所述应变片贴在刚性夹具内侧、收弧板下方的待焊焊缝两侧，应变片与焊缝方向平行并与应力测试仪连接。
一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法，包含以下步骤：
A、将船体底板与待焊舱室立向壁板通过双侧角焊缝装焊完成，将预拉伸应力施力结构与待焊舱室立向壁板通过焊缝焊接在一起；
B、将本发明变形控制装置的主体结构安装在待焊舱室船体底板上，待焊舱室立向壁板分别位于每一组侧梁吊组的两个侧梁吊之间；移动可移动施力装置使得动滑轮移动到待焊舱室立向壁板垂直上方，将动滑轮与预拉伸应力施力结构相连；沿垂直于壁板方向移动侧梁吊，使刚性夹具的接触面与待焊舱室立向壁板完好贴合；在刚性夹具内侧、收弧板下方的待焊焊缝两侧贴好应变片，该应变片与焊缝方向平行并与应力测试仪连接；
C、通过滑轮、钢质夹板对待焊舱室立向壁板施加预拉伸应力，然后接通电磁铁电源，通过刚性夹具产生磁力挤压作用而压紧待焊部位，产生刚性约束；采用双面双弧TIG填丝焊工艺对待焊舱室立向壁板的待焊部位进行立向上焊接；待焊接完成及壁板冷却到室温后，关掉电磁铁，移开刚性夹具，拆除应力测试仪、预拉伸应力施力结构。
优选地，在步骤A之前将耳板与船体底板装焊完成，并使用螺旋拉码将其固定在胎架上。
与现有技术相比，本发明铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置及方法具有如下优点：
1、本发明通过预拉伸应力施力结构可以实现预应力的精确控制，焊接残余应力与变形控制良好，纵向挠曲变形可以降低到未采用本发明前原变形的20～40％，角变形可以降低到未采用本发明前原变形的40％以内，焊接残余应力降低数值与施加的预应力有直接关系，预应力越大，残余应力峰值降低的越多；
2、本发明尤其适合于船体建造的舱室立向对接焊缝焊接，通过刚性夹具的强有力约束，限制了舱室壁板的面外变形，有利于保证双面双弧TIG填丝焊工艺顺利进行，以解决船体舱室立向焊接变形大以及刚性约束不足而产生较大焊接变形等一系列问题；
3、本发明使用方便、成本低、适应性强，不需再进行加强角铝、横排的装焊和拆除操作，不会损伤船体内外表面质量，大幅度提高了生产效率，也免除了焊接作业人员频繁装、卸角铝与横排的劳动强度。
附图说明
图1为本发明变形控制装置立体结构的一个示意图。
图2为本发明变形控制装置立体结构的另一个示意图。
图3为本发明变形控制装置的前视图。
图4为本发明变形控制装置的右视图。
附图标记为：
主体结构1，顶架11，立柱12，吊环13，预拉伸应力施力结构2，钢质夹板21，收弧板22，拉环23，可移动施力装置3，中间梁吊31，侧梁吊组32，侧梁吊321，动滑轮33，第一导轨组34，第二导轨组35，安装板36，第一滑块38，第二滑块39，刚性夹具4，立柱底座121，舱室立向壁板61，船体底板62，焊枪7。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，下面结合附图和具体实施例做进一步说明。
实施例1
如图1-图4所示，本发明所述的铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置，包括主体结构1和预拉伸应力施力结构2，所述主体结构1包括顶架11、可移动施力装置3和多个立柱12，多个立柱12的上部固定在顶架11底面，所述可移动施力装置3可移动的设置于顶架11中部。
优选地，所述立柱12为液压伸缩立柱，可以调整立柱12的高度并保正预应力在焊接过程中保持恒定，便于不同高度舱室立向壁板61的焊接。所述立柱12底部设有立柱底座121，以使本发明变形控制装置更稳固的放置于船体底板62上并防止船体底板62被拉起来。所述顶架11为矩形，所述立柱12有四根，四根立柱12分别位于矩形顶架11的四角。所述顶架11上设有吊环13。本发明变形控制装置移动方便，用起重机吊起吊环13便可移动本发明变形控制装置。
所述可移动施力装置3包括一个中间梁吊31和两个侧梁吊组32，两个侧梁吊组32分别位于中间梁吊31的两侧，每个侧梁吊组32含有两个侧梁吊321，每个侧梁吊321下端连接一个刚性夹具4，所述刚性夹具4内嵌有电磁铁，中间梁吊31下方设有一个动滑轮33。
预拉伸应力施力结构2设置在动滑轮33下方，所述预拉伸应力施力结构2包括自上而下设置的钢质夹板21和收弧板22。所述钢质夹板21底部中间开有凹槽，收弧板22通过紧固件安装在凹槽内。所述预拉伸应力施力结构2焊接在立向焊缝处的舱室立向壁板61的顶部。所述钢质夹板21上部设有拉环23，所述拉环23与动滑轮33连接，便于将预拉伸应力施力结构2与可移动施力装置3连接起来。
优选地，所述顶架11上设有第一导轨组34和与其垂直的第二导轨组35，可移动施力装置3可滑动的安装在第一导轨组34上，第一导轨组34可滑动的安装在第二导轨组35上。所述可移动施力装置3包含安装板36，所述安装板36底部设有四个第一滑块38，第一滑块38可沿第一导轨组34滑动。所述第一导轨组34设有若干个第二滑块39，第二滑块39可沿第二导轨组35滑动。所述第一导轨组34包含两条第一导轨，每条第一导轨的两端各设有一个第二滑块39。所述第二导轨组35包含两条第二导轨。
所述安装板36上安装中间梁吊31和两个侧梁吊组32，中间梁吊31固定在安装板36中部，安装板36上设有两个与第一导轨组34平行的滑槽，每个滑槽内分别安装两个侧梁吊321，侧梁吊321可以在滑槽内滑动。每个侧梁吊321包含顶部的轴承和与轴承相连的连杆，连杆底部连接刚性夹具，连杆可绕轴承转动，以使刚性夹具4的接触面与待焊舱室立向壁板61贴合。
所述嵌在刚性夹具4内的电磁铁，在通电后产生磁力，可使刚性夹具4对待焊舱室立向壁板61施加垂直于待焊舱室立向壁板61的挤压作用。
一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法，先将耳板与船体底板62装焊完成，并使用螺旋拉码将其固定在胎架上，以保证预应力的施加；再使用本发明铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置进行焊接，包含以下步骤：
A、将船体底板62与舱室立向壁板61通过双侧角焊缝装焊完成，使得船体底板32与舱室立向壁板61成为一体。根据待焊舱室立向壁板材料及厚度工艺要求，确定收弧板22的材质、厚度、尺寸以及钢质夹板21的厚度、尺寸，通过若干个螺栓将钢质夹板21与收弧板22固定在一起，在钢质夹板21上装有拉环23，用于预应力的施加。将收弧板22与待焊舱室立向壁板61通过焊缝焊接成一体。
B、根据待焊舱室立向壁板61高度，在待焊舱室船体底板62上安放本发明的主体结构1，调节液压伸缩立柱高度到合适位置，并移动可移动施力装置3使得动滑轮33移动到舱室立向壁板61上方的垂直位置，将动滑轮33与拉环23相连，根据待焊焊缝长度选择适宜的刚性夹具4，沿垂直于舱室立向壁板61方向移动侧梁吊321，连杆绕着轴承转动，从而确保刚性夹具4的接触面与待焊舱室立向壁板61完好贴合。在刚性夹具4内侧、收弧板22下方的待焊焊缝63两侧贴好应变片，该应变片1与待焊焊缝63方向平行，并与应力测试仪连接，用于测量舱室立向壁板61中施加的应力数值。
C、根据待焊舱室立向壁板61材料的屈服强度，计算需要的预拉伸应力数值，并通过动滑轮、钢质夹板对待焊舱室立向壁板61施加拉伸的预应力。施加的预拉伸应力要大于等于计算得到的预拉伸应力。然后接通电磁铁电源，通过刚性夹具4产生磁力挤压作用，从而压紧待焊部位，产生刚性约束。在舱室立向壁板61正反两面采用两把焊枪73开展双面双弧TIG填丝焊工艺，对待焊部位进行立向上焊接。待焊接完成及舱室立向壁板61冷却到室温后，关掉电磁铁，移开刚性夹具4，拆除应力测试仪、收弧板22和预拉伸应力施力结构2。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置，其特征在于：包括主体结构和预拉伸应力施力结构，所述主体结构包括顶架、可移动施力装置和多个立柱，多个立柱的上部固定在顶架底面或侧面，所述可移动施力装置可移动的设置于顶架中部；所述可移动施力装置包括一个中间梁吊和两个侧梁吊组，两个侧梁吊组分别位于中间梁吊的两侧，每个侧梁吊组含有两个侧梁吊，每个侧梁吊下端设置一个刚性夹具，所述刚性夹具内嵌有电磁铁，中间梁吊下方设有一个动滑轮；所述预拉伸应力施力结构设置在动滑轮下方，所述预拉伸应力施力结构包括自上而下设置的钢质夹板和收弧板。
2.根据权利要求1所述的变形控制装置，其特征在于：所述顶架上设有第一导轨组和与其垂直的第二导轨组，可移动施力装置可滑动的安装在第一导轨组上，第一导轨组可滑动的安装在第二导轨组上。
3.根据权利要求2所述的变形控制装置，其特征在于：所述可移动施力装置包含安装板，所述安装板上安装中间梁吊和两个侧梁吊组，所述安装板上设有两个与第一导轨组平行的滑槽，每个滑槽内安装一个侧梁吊组。
4.根据权利要求3所述的变形控制装置，其特征在于：所述安装板底部设有若干个第一滑块，第一滑块可沿第一导轨组滑动；所述第一导轨组底部设有若干个第二滑块，第二滑块可沿第二导轨组滑动。
5.根据权利要求4所述的变形控制装置，其特征在于：所述第一导轨组包含两条第一导轨，每条第一导轨的两端底部各设有一个第二滑块；所述第一滑块有2-6个。
6.根据权利要求1-5任一项所述的变形控制装置，其特征在于：每个侧梁吊包含顶部的轴承和与轴承相连的连杆，连杆底部连接刚性夹具，连杆可绕轴承转动。
7.根据权利要求1所述的变形控制装置，其特征在于：本发明铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制装置还包含应变片和应力测试仪，所述应变片贴在刚性夹具内侧、收弧板下方的待焊焊缝两侧，应变片与焊缝方向平行并与应力测试仪连接。
8.根据权利要求1所述的变形控制装置，其特征在于：所述钢质夹板底部中间开有凹槽，收弧板通过紧固件安装在凹槽内；所述钢质夹板上部设有拉环，所述拉环与动滑轮连接；所述顶架上设有吊环；所述立柱底部设有立柱底座；所述立柱为液压伸缩立柱；所述顶架为矩形，所述立柱有四根，四根立柱分别位于矩形顶架的四角。
9.一种铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法，其特征在于，使用权利要求7所述的变形控制装置，包含以下步骤：
A、将船体底板与待焊舱室立向壁板通过双侧角焊缝装焊完成，将收弧板与待焊舱室立向壁板通过焊缝焊接在一起；
B、将本发明变形控制装置的主体结构安装在待焊舱室船体底板上，待焊舱室立向壁板位于每一组侧梁吊组的两个侧梁吊之间；移动可移动施力装置使得动滑轮移动到待焊舱室立向壁板垂直上方，将动滑轮与预拉伸应力施力结构相连；沿垂直于壁板方向移动侧梁吊，使刚性夹具的接触面与待焊舱室立向壁板完好贴合；在刚性夹具内侧、收弧板下方的待焊焊缝两侧贴好应变片，该应变片与焊缝方向平行并与应力测试仪连接；
C、通过滑轮、钢质夹板对待焊舱室立向壁板施加预拉伸应力，然后接通电磁铁电源，通过刚性夹具产生磁力挤压作用而压紧待焊部位，产生刚性约束；采用双面双弧TIG填丝焊工艺对待焊舱室立向壁板的待焊部位进行立向上焊接；待焊接完成及壁板冷却到室温后，关掉电磁铁，移开刚性夹具，拆除应力测试仪、预拉伸应力施力结构。
10.根据权利要求9所述的铝质薄壁船体立向焊缝预应力变形控制方法，其特征在于，在步骤A之前将耳板与船体底板装焊完成，并使用螺旋拉码将其固定在胎架上。
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