造船中鋼板焊接變形的自動火焰矯正工藝系統(tǒng)

1、造船(中鋼板)焊接變形的自動火焰矯正工藝系統(tǒng)摘要；焊接操作是造船生產(chǎn)最重要的作業(yè)形式之一，焊接變形是不可避免的，變形矯正就成為造船生產(chǎn)的重要工種。針對目前船舶變形矯正以手工經(jīng)驗操作為主的現(xiàn)狀，開發(fā)了自動火焰矯正工藝系統(tǒng)，以船體建造過程中典型的三類構(gòu)件的焊接變形為對象，用邏輯推理的方式生成手工火焰矯正的標準工藝方法，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定部分火焰矯正的工藝參數(shù)。實例操作獲得了令人滿意的變形矯正效果，證明該方法可有效地提高火焰矯正的效率與矯正質(zhì)量的穩(wěn)定性，并為實現(xiàn)火焰矯正的自動化提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：火焰矯正造船邏輯推理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前言船舶工業(yè)是傳統(tǒng)的勞動密集型裝配制造業(yè)，焊接操作是其中主要的作業(yè)形式

2、之一。因此，在造船生產(chǎn)過程中必然會存在各種各樣的鋼板焊接變形，矯正就成為造船生產(chǎn)中一項不可缺少的工種。船廠常見的矯正方法有兩種【l】：機械矯正與火焰矯正(俗稱火工矯正)。機械矯正法是利用人力或機械的作用矯正變形，適用于矯正較小的零件。火焰矯正是指利用金屬材料的熱脹冷縮特性，通過對鋼板進行局部加熱的方法矯正變形。對于組件和分段等大件，只能用火焰進行矯正。由于火焰矯正具有設(shè)備簡單、就地矯正和機動靈活等特點，所以在船廠得到廣泛的應(yīng)用【2】。火焰矯正主要有手工加熱矯正和自動化設(shè)備加熱矯正等方法3】。自動化設(shè)備加熱矯正方法利用先進的設(shè)備自動加熱，從而矯正鋼板的變形，具有矯正效率高，矯正質(zhì)量優(yōu)等優(yōu)點，但是

3、設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本高。目前在國內(nèi)造船企業(yè)中，火焰矯正主要以手工加熱矯正為主，雖具有設(shè)備簡單、操作方法容易掌握和矯正成本低等優(yōu)點，但要依賴于操作工的經(jīng)驗來完成，不同的操作工之問差距較大，即使同一個操作工，在不同情況下其經(jīng)驗判斷能力也可能有很大不同。這大大制約了矯正效率與矯正質(zhì)量的提高，提高了生產(chǎn)成本，同時也使生產(chǎn)具有較大的不確定性，給制定生產(chǎn)作業(yè)計劃造成困難。因此，如何將這些技師的經(jīng)驗和知識抽象為標準的火焰矯正規(guī)范就成為目前國內(nèi)造船企業(yè)迫切的任務(wù)之一。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，焊接變形具有一定的規(guī)律性鍆，這為研究針對焊接變形的火焰矯正提供了可能性。由于船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在的焊接變形也是各式各樣的。經(jīng)統(tǒng)計，板架、

4、拼板和T型鋼三種構(gòu)件占船廠構(gòu)件的比例在7O以上。在研究上海某造船企業(yè)曲面中心的分段建造工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)了自動火焰矯正工藝生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)以三類代表性的焊接構(gòu)件作為研究對象，對其手工火焰矯正的工藝進行標準化、規(guī)范化研究，用邏輯推理的方式實現(xiàn)火焰矯正工藝的自動生成，同時結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)算法確定火焰矯正工藝參數(shù)。1 造船火焰矯正工藝自動生成系統(tǒng)11 系統(tǒng)框架利用VBNet開發(fā)了造船火焰矯正工藝自動生成系統(tǒng)5。該系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成，分別為：火焰矯正方法推理模塊、火焰矯正設(shè)備選擇模塊、火焰矯正參數(shù)選擇模塊以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊。系統(tǒng)框架如圖1所示。各模塊功能如下。12 火焰矯正方法的確定該模塊根據(jù)船體構(gòu)件的結(jié)

5、構(gòu)類型、焊接變形形式、變形參數(shù)以及火焰矯正方法的知識庫推理確定出合適的火焰矯正方法?；鹧娉C正方法主要指加熱方法，常用的火焰加熱方法有點狀加熱法、長條形直線加熱法、短條形直線加熱法、三角形加熱法。點狀加熱法常用于火焰成形或局部矯正作業(yè)中，直線加熱法和三角形加熱法用于火焰矯正中4。下面就三種典型構(gòu)件焊接變形的矯正方法進行研究。 (1)板架T型角接焊縫變形。板架結(jié)構(gòu)是船體主要的構(gòu)件形式之一，主要由縱、橫構(gòu)件角焊而成，焊接變形一般呈現(xiàn)為“瘦脊”變形或波浪變形4，其中，中厚板架以“瘦脊”變形為主，而薄板以波浪變形為主。由于船體板架的鋼板主要是中厚板(通常厚度大于8 mm)，因此主要研究“瘦脊”變形的火焰

6、矯正(圖2)。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，其加熱方法應(yīng)采用直線加熱法，加熱線位于板架背面與骨架相對應(yīng)的位置，根據(jù)變形量的不同加熱線條數(shù)有所不同，變形大的采用雙線加熱(圖2a)，變形小的用單線加熱(圖2b)。變形的大小可根據(jù)精度要求設(shè)定，變形角度定義如圖3所示。如變形角度 5。時采用雙線加熱，l。< 5。時用單線加熱，而 <1。不用矯正。因此，板架T型角接焊縫的變形矯正方法的推理過程可以用如下邏輯代碼描述。If(Welding type=Fillet welding)and(Welding joint-=-T)and(Hl>=8)ThenIf (5 >=1)Then (Rectif

7、y=LH)and(Line arm=1)Else If >=5)Then(Rectify=LH)and(Line num=2)(2)拼板對接焊縫變形。拼板對接焊縫的變形主要包括縱向彎曲變形和角變形，由于船舶用板材一般為中厚度板，因此縱向彎曲變形可忽略不計，主要研究角變形的火焰矯正方法(圖4)。根據(jù)經(jīng)驗，對接焊縫角變形的火焰矯正方法應(yīng)采用長條形直線加熱法，若變形量較tJ,(1。<5。)，可直接在靠近焊縫的兩側(cè)位置加熱，而當變形量較大(5。)，則先在焊縫兩側(cè)較平整的位置進行加熱，待線形和順之后再在位置加熱。拼板對接焊縫角變形的手工火焰矯正方法的邏輯推理代碼如下：If(Welding t

8、ype=Butt welding)and(Hl>=8)ThenIf(5>,8>=1)Then(Rectify=LH)and(Line num=2)ElseIf(fl>=5)Then(Rectify=LH)and(Line num=4) (3)T型鋼焊接變形。T型鋼通常有三種變形類型(圖5)，分別是T型梁橫向彎曲(圖5a)，T型梁縱向彎曲(圖5b)以及面板角變形(圖5c)。其中橫向彎曲通常是由于單面焊接所引起的，而造船T排流水線通常采用雙面焊接，因此，橫向彎曲變形很少?？v向彎曲一般為腹板外凸彎曲變形，它是由于焊縫軸線與焊接結(jié)構(gòu)件的中心軸不重合所引起的，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，其

9、矯正方法是從腹板23高度開始，由里向外用三角形加熱法，三角形間距可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取500600 mill，也可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法仿真獲得。面板角變形的矯正方法與板架“瘦脊”變形矯正方法類似，如圖5c所示，若面板寬度在60 mrs以下時，角變形不明顯，可以不矯正。 因此，T型鋼焊接變形的手工火焰矯正方法的邏輯推理代碼如下：(1) T型梁縱向彎曲變形If(Part type=T)and (Welding type=Fillet welding)and (Welding mode=D)and (1)Then(Rectify=TH)and(Height=2W23)(2)面板角變形if(Part type

10、=T)and (Welding type=Fillet welding)and (Hl>=8)and (H2>=60)Then If(5 >=1)Then(Rectify=LH)and(Linenum-1)Else If >：5)Then(Rectify LH)and(Line num=2)上述各種變形矯正的邏輯代碼可歸納為表1所示內(nèi)容。l3 火焰矯正設(shè)備選擇模塊該模塊在火焰矯正方法、焊接變形參數(shù)、火焰矯正設(shè)備知識庫的基礎(chǔ)上，選擇合適的火焰矯正設(shè)備。手工火焰矯正設(shè)備主要是指氧炔焰焊具，評價指標主要是指氧炔焰嘴口徑， 口徑大，則加熱功率大，矯正變形大，口徑小，則加熱功率小

11、，矯正變形小。焰嘴口徑有5種型號，由小到大依次為l5。對于不同厚度的板，應(yīng)該采用不同的加熱溫度來矯正，則采用不同的焰嘴號。焰嘴號與板厚、加熱溫度存在一定的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)參考文獻6可知，焰嘴號的選擇可根據(jù)表2來進行。例如：基板板厚是10mm，則應(yīng)采用3號氧炔焰嘴。14 火焰矯正工藝參數(shù)確定 火焰矯正工藝參數(shù)主要包括火焰功率、加熱溫度、加熱速度和加熱面積(an熱寬度)。工藝參數(shù)的合理選擇是火焰矯正的關(guān)鍵，選擇不當將會嚴重影響矯正效果，甚至達不到預(yù)期的目的。該模塊根據(jù)確定的火焰矯正方法、火焰矯正設(shè)備以及火焰矯正工藝知識庫選擇合適的火焰矯正工藝參數(shù)。141 火焰功率與加熱溫度的確定 火焰矯正效果主要依

12、靠火焰加熱深度引起變形來實現(xiàn)，加熱越深，引起的變形越大，矯正效果就會越明顯。由于加熱深度是由加熱速度與加熱溫度共同來決定的，且火焰矯正的冷卻方法通常采用空冷法1，因此需要確定的工藝參數(shù)主要是火焰功率、加熱溫度、加熱速度與加熱面積(或加熱線寬度)。火焰功率對矯正效率影響較大，火焰功率的強度用單位線能表示，單位線能越大，功率越強，鋼板變形量就越大，因此在不致過燒的情況下應(yīng)使火焰功率最大?；鹧婀β实拇笮≈饕Q于氧炔焰嘴口徑的大小?？趶皆酱?，火焰功率越大。 加熱溫度對火焰矯正變形量的影響也相當顯著。一般地，橫向收縮變形隨溫度增高而增大，但當溫度超過900時，增大不顯著；角變形隨溫度增高而增大，而薄板

13、(厚度小于8 mm)達到一定溫度 (約750)后，增加不顯著；此外加熱溫度還受到材料性質(zhì)的限制。在實際操作過程中，對于火焰溫度的判斷一般通過加熱過程的顏色變化來完成。根據(jù)參考文獻4，6，焰嘴號、加熱溫度與火焰顏色變化可以根據(jù)表3進行選擇。例如：當采用2號焰嘴加熱進行火焰矯正時，則當火焰顏色從暗櫻色變成深櫻色就達到要求。142 加熱速度與加熱面積(加熱寬度)的確定 加熱速度是指長條形加熱法的移動速度(圖6a)，加熱速度對成形效果影響最大。對于一定厚度的鋼板，當速度太慢時，正反面溫差小，變形量小；而當加熱速度太大時，單位線能量減少，變形量也變小。為了獲得最佳的變形量，需要選擇一個最優(yōu)的加熱速度。

14、加熱面積(圖6b)或加熱寬度對變形量的影響也很大。對于一定厚度的鋼板，當加熱速度固定時，橫向收縮隨加熱面積(或加熱寬度)的增大而增大，而當面積(或?qū)挾?達到一定的值以后，再增加，變形量反而減小。為了獲得最佳的矯正變形效果，需要確定一個最佳的加熱面積(或?qū)挾?。由于火焰矯正的目的是為了消除鋼板焊接之后已有的變形，火焰矯正加熱所產(chǎn)生的變形量應(yīng)該等于鋼板的原變形量，通過分析這兩種變形量的影響因素，可建立因素之間的映射關(guān)系，從而確定火焰工藝參數(shù)。下面分別建立三類焊接構(gòu)件的映射關(guān)系模型。(1)板架T型角接焊縫變形。根據(jù)參考文獻6，7，影響角接焊縫的角變形量大小的因素主要有焊角高度和鋼板厚度，用函數(shù)式描述

15、如下。式中影響火焰矯正變形量的因素主要有火焰功率、加熱溫度、加熱速度、加熱寬度，而根據(jù)表2、3，焰嘴號與加熱溫度由板厚決定，因此決定變形量的因素為基板板厚、加熱速度與加熱寬度，用函數(shù)式描述如下式中上式表明在板架T型角接焊變形矯正中，加熱速度，加熱寬度與鋼板板厚、焊角尺寸之間存在一定的映射關(guān)系。(2)拼板對接焊縫角變形。影響對接焊縫角變形的因素主要有1，焊接斷面尺寸(如斷面面積A)，焊接坡口形狀S，以及焊道數(shù)N。而影響火焰加熱變形量的因素是加熱速度、加熱寬度與基板厚度，因此有如下關(guān)系式成立上式表明在拼板對接焊角變形矯正中，加熱速度、加熱寬度與基板厚度、焊接斷面積、坡口形狀、焊道數(shù)存在一定的映射關(guān)

16、系。(3)T型鋼焊接變形。影響T型鋼縱向彎衄變形量的因素主要有1，2，h，以及焊接偏心距l(xiāng)1：而影響火焰加熱變形量的因素有1、2，A、加熱三角形間距l(xiāng)2，以及加熱時間t，因此存在如下關(guān)系式上式表明在T型鋼焊接變形矯正中，加熱面積、加熱三角形間距、加熱時間與板厚、焊角高度、焊接偏心距存在一定的映射關(guān)系。式(4)、(5)和(6)建立了三種焊接變形的矯正參數(shù)關(guān)系，可以確定在矯正焊接變形時火焰的加熱速度、加熱寬度、加熱面積、間距和加熱時間等參數(shù)。但這些關(guān)系是多輸入多輸出的隱式映射函數(shù)關(guān)系，傳統(tǒng)的解析方法中無法獲得明確的解析解。15 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模塊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、中間層和輸出層三個基本部分組成。神經(jīng)

17、網(wǎng)絡(luò)的主要特征是：大規(guī)模的并行處理和分布式的信息存儲；良好的自適應(yīng)性、自組織性和自學(xué)習(xí)能力。這些特點決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在多參數(shù)控制方面的應(yīng)用8。該模塊利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，通過訓(xùn)練現(xiàn)場采集的火焰矯正數(shù)據(jù)，獲得火焰矯正的其他重要工藝參數(shù)。下面以板架T形角接焊縫變形的矯正過程為例。采用圖7所示的三層BP神經(jīng)網(wǎng)來仿真式(4)所表示的映射關(guān)系，其中輸入層有三個變量分別對應(yīng)1(mm)、 2(mm)與h(mm)，中間層有7個節(jié)點，輸出層有兩個變數(shù)，分別為v(mms)與b(mm)，激勵函數(shù)選擇Sigmoid函數(shù)。通過跟蹤現(xiàn)場技師的操作獲得的有效數(shù)據(jù)，共有20組，運用MATLAB60軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊加以模擬，經(jīng)過

18、20萬次的訓(xùn)練，誤差達到0013，輸出訓(xùn)練結(jié)果見表4。對于其他映射關(guān)系(式(5)，式(6)同樣可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得滿意的矯正工藝參數(shù)。2 實例驗證以上海某造船廠曲面加工中心加工的一類板架構(gòu)件為例，其類型為縱艙壁(LB)，結(jié)構(gòu)如圖2b所示，由基板和6個角鋼角焊而成，其中基板厚度為12mm，角鋼厚度為10mm，焊角高度為6mm，角變形量為3o 利用火焰矯正工藝自動生成系統(tǒng)，推理出該板架構(gòu)件的火焰矯正方法應(yīng)為長條形直線加熱法，且為單線加熱；火焰加熱焰嘴號為3號，加熱溫度為750800。C，火焰顏色從深櫻色變?yōu)闄鸭t色；加熱寬度為25.2mm，加熱速度為6.51 mms。 驗證分為兩個步驟：讓技師根

19、據(jù)自己已有的經(jīng)驗判斷火焰矯正的方法和參數(shù)來進行火焰矯正，獲得工藝方法及工藝參數(shù)如下為焰嘴號3號，單線加熱，根據(jù)顏色判斷加熱溫度大約在800左右，矯正18 rn的平均加熱速度為7.5 mms，平均加熱寬度為23mm，經(jīng)過一次矯正后達到精度要求。讓技師按照系統(tǒng)生成的工藝參數(shù)結(jié)果對相同的構(gòu)件進行矯正，結(jié)果同樣獲得了滿意的矯正效果。由于工人手工操作的局限性，矯正的質(zhì)量難以控制：而且，影響變形的因素是很復(fù)雜的，彼此之間也可能存在影響關(guān)系，因此僅用這幾項來推理矯正參數(shù)存在不可避免的系統(tǒng)誤差。如在本實例中，加熱寬度誤差為95，加熱速度誤差為133。 此處認為該系統(tǒng)對其他類型的變形也可以獲得滿意的矯正效果，但鑒于實例在數(shù)量上還不足。為了進一步驗證這一方法的切實可行性我們正繼續(xù)對該方法進行推廣試驗中，以期獲得批量使用的效果。3 結(jié)論 開發(fā)了原型系統(tǒng)實現(xiàn)火焰矯正工藝的自動生成，采用邏輯推理與人工神經(jīng)網(wǎng)相結(jié)合實現(xiàn)了火焰矯正工藝的自動生成，為人工火焰矯正建立了標準的操作工藝，提高了火焰矯正生產(chǎn)效率與生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)手工操作經(jīng)驗的系統(tǒng)傳承與標準化、規(guī)范化，同時該研究成果為實現(xiàn)火焰矯正的自