CN112730077B - 船舶薄板焊接变形感应矫平的实验装置以及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶薄板焊接变形感应矫平实验装置，包括：实验台、变压箱、感应线圈、红外测温仪、感应电源、X轴位移机构、Y轴位移机构和Z轴位移机构；Y轴位移机构包括：地轨和龙门架；X轴位移机构包括：驱动电机和上井笼；Z轴位移机构包括：蜗轮蜗杆升降装置、下井笼和导杆。实验台包括：六足底座、可拆卸横梁和地脚。龙门架包括：立柱、横梁导轨和用于支撑线缆的导轮。蜗轮蜗杆升降装置包括：升降机构、蜗杆、手轮和法兰。本发明实现了对感应线圈在X轴，Y轴，Z轴位置的精确控制，可以精确调整感应线圈在X轴的移动速度与移动时间，记录薄板在加热过程中的温度变化，并且可以基于红外测温仪的结果实时调整感应电源参数。

Description

船舶薄板焊接变形感应矫平的实验装置以及检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接变形矫平领域的技术，具体是一种厚度为6-10mm的船舶薄板焊接变形感应矫平的实验装置以及检测方法。

背景技术

焊接工艺作为重要的接合工艺在制造业中受到广泛应用，焊接过程加热的不均匀性导致产生焊接变形与焊接残余应力，使得结构产生各种焊接变形，包括如横向、纵向收缩变形，角变形，弯曲变形，波浪变形和扭曲变形等。焊接变形的存在不仅引起焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。

在船舶建造当中，焊接变形总是不可避免的，船厂一般采用火工矫平、感应矫平和机械矫平三种方法对船舶结构的焊接变形进行矫正。传统的火工矫平适用于中等厚度船板的矫平，难以有效矫正船舶薄板结构的焊接变形。感应矫平是一种新兴的矫平工艺，基于电磁感应加热原理，在高频电磁场的作用下对薄板进行加热，由于集肤作用的存在能产生更大的温度梯度，有效提高对薄板结构的矫正能力。

目前对感应矫平的研究，主要基于理论分析和仿真计算，亟需进行实验验证。而船厂使用的感应矫平设备由工人手动控制位置，无法做到精确控制位移，因此缺乏可验证的实验平台需要搭建薄板焊接变形感应矫平的实验平台来精确调整感应线圈的位置、移动速度，规划运动路径，实时获取感应温升，为实现数字化智能化的感应矫平方案提供重要依据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种船舶薄板焊接变形感应矫平的实验装置，可用于多种薄板焊接结构的感应矫平实验，通过在X、Y和Z轴上设有位移机构，利用感应线圈进行定位与移动，实现对感应线圈在X轴(沿焊缝方向)，Y轴(水平面内垂直于焊缝方向)，Z轴(垂直方向)位置的精确控制，可以精确调整感应线圈在X轴的移动速度与移动时间，记录试验板在加热过程中的温度变化，并且可以基于红外测温仪的结果实时调整感应电源参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：实验台、变压箱、感应线圈、红外测温仪、感应电源、X轴位移机构、Y轴位移机构和Z轴位移机构，其中：Y轴位移机构设置于实验台上方，X轴位移机构与Y轴位移机构相连并设置于Y轴位移机构下方，Z轴位移机构设置于X轴位移机构下，变压箱、感应线圈和红外测温仪设置于Z轴位移机构内，感应电源与感应线圈相连。

所述的实验台包括：六足底座、可拆卸横梁和地脚，其中：地脚设置于六足底座下，可拆卸横梁两端活动设置于六足底座上。

所述的Y轴位移机构包括：地轨和龙门架，其中：地轨设置于实验台两侧地面，龙门架两侧可以在地轨上移动并设置于实验台上。

所述的龙门架包括：立柱、横梁导轨和用于支撑线缆的导轮，其中：立柱竖直设置于地轨上，横梁导轨两端与立柱相连并水平设置于实验台上，导轮设置于立柱上。

所述的X轴位移机构包括：驱动电机和上井笼，其中：驱动电机设置于龙门架上，上井笼设置于驱动电机下，驱动电机可以控制上井笼的移动速度与移动距离。

所述的Z轴位移机构包括：蜗轮蜗杆升降装置、下井笼和导杆，其中：蜗轮蜗杆升降装置一端设置于上井笼内，另一端设置于下井笼内，导杆一端与上井笼相连，另一端设置于下井笼内并与蜗轮蜗杆升降装置平行设置。

所述的蜗轮蜗杆升降装置包括：升降机构、蜗杆、手轮和法兰，其中：升降机构设置于上井笼内，蜗杆一端设置于上井笼内与升降机构相连，另一端穿过下井笼与法兰相连并与导杆平行设置，手轮设置于上井笼外并与升降机构相连。

所述的上井笼上设有用于与导杆相连的上导杆轴承。

所述的上井笼下方设有用于测量Z轴相对位移的量尺。

所述的下井笼内设有用于与蜗轮蜗杆升降装置相连的下蜗杆轴承和与导杆相连的下导杆轴承。

本发明涉及一种基于上述实验装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、调节实验台上方的可拆卸横梁的间距为试验板的宽度，将具有焊接变形的试验板1焊缝朝下放置于可拆卸横梁上方并进行固定；

步骤二、调节Y轴位移机构：在地轨上移动龙门架，使得感应线圈位于试验板的焊缝上方，固定龙门架的位置；

步骤三、调节Z轴位移机构：测量感应线圈下方距试验板的高度H1，读取量尺刻度Z1，按照实验要求确定感应线圈11目标高度H，转动手轮让下井笼8整体上升或下降，直至量尺刻度为Z＝Z1+(H-H1)；

步骤四、调节X轴位移机构：对于固定式加热，通过驱动电机5将感应线圈11移动到待加热位置，在感应电源上设置额定功率与通电时间，启动感应电源，待试验板冷却后将感应线圈移动到下一个待加热位置，以此往复；对于移动式加热，通过驱动电机将感应线圈移动到初始加热位置，在驱动电机上设置移动距离与移动速度，同时启动驱动电机与感应电源，在这个过程中，红外测温仪9记录试验板的温度变化；

所述的固定式加热的额定功率的范围为18-25KW，通电时间范围为5-15秒。

所述的移动式加热的移动速度范围为15-40mm/s。

步骤五、完成矫平实验后，断开感应电源的电源，调节Z轴位移机构将感应线圈升高，调节Y轴位移机构将龙门架推到地轨的边缘，取出矫平后的试验板，进行下一步矫正量测量的工作。

技术效果

本发明整体了解决现有感应矫平技术无法实际验证的缺陷；本发明能够对感应线圈在X轴(沿焊缝方向)、Y轴(水平面内垂直于焊缝方向)、Z轴(垂直方向)位置的控制，可以精确调整感应线圈在X轴的移动速度与移动时间，记录薄板在加热过程中的温度变化，并且可以基于红外测温仪的结果实时调整感应电源参数。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明实验台结构示意图；

图3为本发明Y轴位移机构结构示意图；

图4为本发明X轴位移机构结构示意图；

图5为本发明Z轴位移机构结构示意图；

其中：a为结构示意图，b为后视图；

图6为本发明下井笼结构示意图；

图中：试验板1、实验台2、地轨3、龙门架4、驱动电机5、上井笼6、蜗轮蜗杆升降装置7、下井笼8、红外测温仪9、变压箱10、感应线圈11、线缆12、感应电源13、可拆卸横梁14、地脚15、立柱16、横梁导轨17、导轮18、上导杆轴承19、法兰20、导杆21、手轮22、量尺23、下导杆轴承24、下蜗杆轴承25、X轴位移机构26、Y轴位移机构27、Z轴位移机构28、六足底座29、升降机构30、蜗杆31。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种船舶薄板焊接变形感应矫平的实验装置，其中包含：实验台2、X轴位移机构26、Y轴位移机构27、Z轴位移机构28、感应电源13、变压箱10、感应线圈11和红外测温仪9，其中：Y轴位移机构27设置于实验台2上方，X轴位移机构26与Y轴位移机构27相连并设置于Y轴位移机构27下方，Z轴位移机构28设置于X轴位移机构26下，变压箱10、感应线圈11和红外测温仪9设置于Z轴位移机构内28，感应电源13通过线缆12与变压箱10相连。

所述的实验台2包括：六足底座29、可拆卸横梁14和可调节高度的地脚15，其中：地脚15设置于六足底座29下，可拆卸横梁14两端活动设置于六足底座29上,试验板1设置于可拆卸横梁14上。

所述的六足底座29的三个地脚的15高度可以调节以确保实验台2上表面的水平度，可拆卸横梁14的位置可以调整，实现对不同规格焊接件的感应矫平。

所述的Y轴位移机构27包括：地轨3和龙门架4，其中：地轨3设置于实验台2两侧地面，龙门架4两侧与地轨3相连并设置于实验台2上。

所述的龙门架4包括：立柱16、横梁导轨17和用于支撑线缆的导轮18，其中：立柱16竖直设置于地轨3上并可在地轨3上沿Y轴平移，横梁导轨17两端与立柱16相连并水平设置于六足底座29上，导轮18设置于立柱16上。

所述的X轴位移机构26包括：驱动电机5和上井笼6，其中：驱动电机5设置于横梁导轨17上，上井笼6设置于驱动电机5下，驱动电机5的PLC控制器设置于上井笼6内，由用户编写的程序控制，带动下方的上井笼6沿着X轴按照预定路径运动。

所述的Z轴位移机构28包括：蜗轮蜗杆升降装置7、下井笼8和导杆21，其中：蜗轮蜗杆升降装置7一端设置于上井笼6内，另一端设置于下井笼8内，导杆21一端与上井笼6相连，另一端设置于下井笼8内并与蜗轮蜗杆升降装置7平行设置，用于限制下井笼8的旋转，变压箱10设置于下井笼8内并通过线缆12与感应电源13相连，感应线圈11设置于下井笼8内，红外测温仪9设置于下井笼8的壁面上，依据设定光路测量试验板的温度。

所述的蜗轮蜗杆升降装置7包括：升降机构30、蜗杆31、手轮22和法兰20，其中：升降机构30设置于上井笼6内，蜗杆31一端设置于上井笼6内与升降机构30相连，另一端穿过下井笼8与法兰20相连并与导杆21平行设置，手轮22通过联轴器设置于上井笼6外并与升降机构30相连，用于手动实现蜗杆31的上升与下降，实现下井笼8在Z轴的运动。

所述的上井笼6上设有用于与导杆21相连的上导杆轴承19。

所述的上井笼6下方设有用于测量Z轴相对位移的量尺23。

所述的下井笼8内设有用于与蜗轮蜗杆升降装7置相连的下蜗杆轴承25和与导杆21相连的下导杆轴承24。

所述的感应线圈11为L型线圈，感应线圈11上侧设有硅钢片，其中：硅钢片设置于变压箱10下方和试验板1正上方，可以和下井笼8一起沿着X轴运动。

所述的线缆12内设有供电电缆与水冷液的进出水管，水冷液对加热时的变压箱10与感应线圈11进行冷却。

本实施例涉及针对上述装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、调节实验台2上方的可拆卸横梁14的间距为试验板1的宽度，将具有焊接变形的试验板1焊缝朝下放置于可拆卸横梁14上方并进行固定；

步骤二、调节Y轴位移机构27：在地轨3上移动龙门架4，使得感应线圈11位于试验板1的焊缝正上方，固定龙门架4的位置；

步骤三、调节Z轴位移机构28：测量感应线圈11下方距试验板1的高度H1，读取量尺刻度Z1，按照实验要求确定感应线圈11目标高度H，转动手轮22让下井笼8整体上升或下降，直至量尺刻度为Z＝Z1+(H-H1)；

所述的目标高度H值的范围为5-20mm。

步骤四、调节X轴位移机构26：对于固定式加热，通过驱动电机5的控制手柄将感应线圈11移动到待加热位置，在感应电源13上设置额定功率与通电时间，启动感应电源13，待试验板1冷却后将感应线圈11移动到下一个待加热位置，以此往复；对于移动式加热，通过驱动电机5的控制手柄将感应线圈11移动到初始加热位置，在驱动电机5上设置移动距离与移动速度，同时启动驱动电机5与感应电源13，在这个过程中，红外测温仪9记录试验板的温度变化；

所述的固定式加热的额定功率的范围为18-25KW，通电时间范围为5-15秒。

所述的移动式加热的移动速度范围为15-40mm/s。

步骤五、完成矫平实验后，断开感应电源13的电源，调节Z轴位移机构28将感应线圈11升高，调节Y轴位移机构27将龙门架4推到地轨3的边缘，取出矫平后的试验板，进行下一步矫正量测量的工作。

试验板1在Y轴位移机构27的作用下感应线圈11能定位于试验板1的焊缝上方，在Z轴位移机构28的作用下感应线圈11能够与试验板1保持固定距离，在X轴位移机构26的PLC控制器上编程实现感应线圈11沿着焊缝方向的运动启停，且移动速度与移动距离可以精确调整；此外本发明实现了在感应线圈11通电后，红外测温仪能够测量钢板的上升温度，为矫平量的精确控制提供理论分析支持。若设置试验板1的目标温度，实验台2可以基于红外测温仪9的结果实时调整感应电源13参数。

本装置在30kW功率固定式加热7s后，红外线圈测得最高温度为730℃，宽度为800mm的钢板矫平量为4mm。与现有技术相比，本装置感应线圈11在x轴方向为总行程为1.6m，运动速度为15-40mm/s，定位精度为1mm；在y轴总行程为1.4m，定位精度为1mm；在z轴总行程为100mm，定位精度为1mm；红外测温仪9的测温范围为200-1500℃。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种船舶薄板焊接变形感应矫平实验装置，其特征在于，包括：实验台、变压箱、感应线圈、红外测温仪、感应电源、X轴位移机构、Y轴位移机构和Z轴位移机构，其中：Y轴位移机构设置于实验台上方，X轴位移机构与Y轴位移机构相连并设置于Y轴位移机构下方，Z轴位移机构设置于X轴位移机构下，变压箱、感应线圈和红外测温仪设置于Z轴位移机构内，感应电源与感应线圈相连；

所述的Z轴位移机构包括：蜗轮蜗杆升降装置、下井笼和导杆，其中：蜗轮蜗杆升降装置一端设置于上井笼内，另一端设置于下井笼内，导杆一端与上井笼相连，另一端设置于下井笼内并与蜗轮蜗杆升降装置平行设置，变压箱、感应线圈和红外测温仪设置于下井笼内；

所述的蜗轮蜗杆升降装置包括：升降机构、蜗杆、手轮和法兰，其中：升降机构设置于上井笼内，蜗杆一端设置于上井笼内与升降机构相连，另一端穿过下井笼与法兰相连并与导杆平行设置，手轮设置于上井笼外并与升降机构相连；

所述的Y轴位移机构包括：地轨和龙门架，其中：地轨设置于实验台两侧地面，龙门架两侧与地轨相连并设置于实验台上；所述的X轴位移机构包括：驱动电机和上井笼，其中：驱动电机设置于龙门架上，上井笼设置于驱动电机下。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征是，所述的实验台包括：六足底座、可拆卸横梁和地脚，其中：地脚设置于六足底座下，可拆卸横梁两端活动设置于六足底座上。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征是，所述的龙门架包括：立柱、横梁导轨和用于支撑线缆的导轮，其中：立柱竖直设置于地轨上，横梁导轨两端与立柱相连并水平设置于实验台上，导轮设置于立柱上。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征是，所述的上井笼上设有用于与导杆相连的上导杆轴承，上井笼下方设有用于测量Z轴相对位移的量尺。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征是，所述的下井笼内设有用于与蜗轮蜗杆升降装置相连的下蜗杆轴承和与导杆相连的下导杆轴承。

6.一种基于权利要求1～5中任一所述的实验装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、调节实验台上方的可拆卸横梁的间距为试验板的宽度，将具有焊接变形的试验板1焊缝朝下放置于可拆卸横梁上方并进行固定；

步骤二、调节Y轴位移机构：在地轨上移动龙门架，使得感应线圈位于试验板的焊缝正上方，固定龙门架的位置；

步骤三、调节Z轴位移机构：测量感应线圈下方距试验板的高度H1，读取量尺刻度Z1，按照实验要求确定感应线圈目标高度H，转动手轮让下井笼整体上升或下降，直至量尺刻度为Z＝Z1+(H-H1)；

步骤四、调节X轴位移机构：对于固定式加热，通过驱动电机将感应线圈移动到待加热位置，在感应电源上设置额定功率与通电时间，启动感应电源，待试验板冷却后将感应线圈移动到下一个待加热位置，以此往复；对于移动式加热，通过驱动电机将感应线圈移动到初始加热位置，在驱动电机上设置移动距离与移动速度，同时启动驱动电机与感应电源，在这个过程中，红外测温仪记录试验板的温度变化；

步骤五、完成矫平实验后，断开感应电源的电源，调节Z轴位移机构将感应线圈升高，调节Y轴位移机构将龙门架推到地轨的边缘，取出矫平后的试验板，进行下一步矫正量测量的工作。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的目标高度H值的范围为5-20mm。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的固定式加热的额定功率的范围为18-25KW，通电时间范围为5-15秒；

所述的移动式加热的移动速度范围为15-40mm/s。

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