（船舶与海洋工程专业论文）平面分段流水线的优化及其最佳效能研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 平面分段流水线由于具有生产效率高、质量稳定可靠、改善作业环境等特点，是提 高造船能力和水平的必不可少的措施之一，发展前景广阔。近些年，在国内各大船厂相 继投资建设了多条，但据调查有相当一部分存在一定的不足，或是布置、设计存在问题， 或是管理、使用不当，从而没有发挥其应有的能力。本论文以公司实际投资项目“1 2 5 米x1 2 5 米平面分段流水线”为依托而展开。文中对该项目的自然环境、公司的生产工 艺特点做了深入的调研，通过对比、计算、分析，合理地布置工位、配置设备、作业人 员，使每个工位的节拍趋于一致，并满足生产能力的要求。此外，对关键设备单面 焊双面成型设备在使用过程中易出现的问题进行了认真分析，寻找解决方案，使其发挥 最大效用。按照该设计方案实施、管理、使用，实现：使该流水线各工序之间步调一 致、物流顺畅，大大提高分段制造效率，很大程度上减少工人的劳动强度，改善作业 环境，与人工制作分段方式相比，大大减少人工需求，虽一次性投资较大，但长期使 用，节省大量人工费用。此课题的研究使该工程项目设计、实施更标准化、系统化，为 各船厂实施该项目提供有价值的借鉴依据。 关键词：分段；流水线；设计；效率； 平面分段流水线的优化及其最位效能研究 r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no fp a n e lp r o d u c t i o nl i n e a n di t so p t i m a l e f f i c a c y a b s t ra c t a p a n e lp r o d u c t i o nl i n eh a saw i d e rp r o s p e c tw h i c hi so n ea b s o l u t e l yn e c e s s a r ym e a s u r e o fi m p r o v i n gc a p a c i t ya n dl e v e lo fs h i p b u i l d i n g i nr e c e n ty e a r s ，al o to fp a n e lp r o d u c t i o n l i n e sh a v eb e e ni n v e s t e da n db u i l tb yd o m e s t i cs h i p y a r d s a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o n ，t h e r e a led e f i c i e n c i e si nq u i t em a n yp r o d u c t i o nl i n e st oac e r t a i ne x t e n t c a p a b i l i t i e sc o u l dn o tb e p e r f o r m e dc o m p l e t e l yb e c a u s eo fa r r a n g e m e n ta n dd e s i g np r o b l e mo ri m p r o p e ra d m i n i s t r a t i o n a n du s e t h i st h e s i sb a s e so nt h ep r o g r a m “16 m xl4 m p a n e lp r o d u c t i o nl i n e i n v e s t e db ym y c o m p a n y t h i st 1 1 e s i sr e s e a r c h e sn a t u r a le n v i r o n m e n ta n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yf e a t u r e so f m yc o m p a n yd e e p l y a r r a n g ew o r kp o s i t i o n s ，c o n f i g u r ee q u i p m e n t sa n do p e r a t i n gp e r s o n n e l r a t i o n a l l yb yc o n t r a s t ，c a l c u l a t i o na n da n a l y s i st om a k ew o r kp o s i t i o nt i m ei na c c o r d a n c ew i t h e a c ho t h e ra n dm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i v ec a p a c i t y 。f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sa n a l y z e s p r o b l e m so fk e ye q u i p m e n t - - - o n e - s i d ew e l d i n ge q u i p m e n te a s i l yo c c u r r e di nu s ep r o c e s sa n d s e e k ss o l u t i o n st om a k et h ee q u i p m e n tt oo p e r a t ei t sm o s te f f i c a c y ，t oc a r r yo u t ，a d m i n i s t r a t e a n du s ea c c o r d i n gt ot h i sd e s i g np r o j e c tw i l lb r i n ga b o u t ： e a c hw o r k i n gp r o c e d u r eo ft h i s p r o d u c t i o nl i n ei si no r d e ra n dl o g i s t i c si ss m o o t h ，a n ds e c t i o n sm a n u f a c t u r ee f f i c i e n c yi s i m p r o v eg r e a t l y ；t od e c r e a s el a b o ri n t e n s i t yo fw o o e r st oag r e a te x t e n ta n di m p r o v ej o b e n v i r o n m e n t ；od e c r e a s em a n p o w e rn e e d e dc o m p a r e dw i t ht h ee x i s t e ds e c t i o n s s a v ea g r e a td e a ll a b o rc o s ta f t e ru s i n gf o ral o n gt e r ma l t h o u g ho n e - o f fi n v e s t m e n ti sl a r g e r r e s e a r c ho ft h i st h e s i sm a k e sd e s i g na n di m p l e m e n to ft h i s p r o j e c tp r o g r a mm o r e s t a n d a r d i z e da n ds y s t e m a t i c ，a n ds u p p l i e sv a l u a b l er e f e r e n c eb a s i so fp u t t i n gt h i sp r o g r a m i n t op r a c t i c et os h i p y a r d s k e yw o r d s ：s e c t i o n ；p r o d u c t i o nl i n e ；o p t i m i z a t i o me f f i c i e n c y i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垩亘金壁逾壅绫的选焦区基量焦教鱼量盈究 作者签名： 狴基 日期：逊年生月二2 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：甚丝丕年z 翻三日 乱日期：遨年堡月坐日 人连理1 ：人学专业学位硕十学位论文 1 绪论 近年来，我国造船工业在国家政策大力支持下，发展迅速，造船总量逐年攀升，工 艺技术水平不断提高，向创建世界第一造船大国迈进。尽管如此，我国的造船技术水平 与先进国家相比，仍有一定差距。因此，我们必须不断地学习国外先进经验，提高我国 的造船技术水平，缩短船舶建造周期，提高船舶建造的经济效益。该课题项目为现代造 船模式中一种先进建造工艺方法。 1 1 平面分段流水线综述 在现代造船中，船体装配和焊接的工作量约占全船总工时的1 2 - 1 8 ，占船体建造 总工时的5 0 , - - - , 7 0 ，是船舶建造中重要的工序之一。因此实现装配焊接工作的机械化和 自动化，形成生产流水线作业，对缩短造船周期，降低造船成本、改善产品质量、减轻 劳动强度，有着极为重要的意义，是船厂进行技术改造的重要内容。而平面分段装焊流 水线是实现装配焊接工作机械化和自动化的重要途径之一。 1 1 1 1 平面分段装焊流水线的产生 上世纪六十年代初期，船舶大型化的趋势日益发展，十力吨以上的大型油船、散装 货船大量建造。这些船只的方型系数大，平行中体长，因而平面分段的数量也多。根据 分析，各种船舶的平面分段( 包括船底部、舷侧、甲板、隔壁及油舱顶板和散装货船的 边水舱部位) 的钢材重量，占船体钢板总重量的百分比如下： 2 5 万载重吨油船 5 5 1 6 7 万载重吨货船 5 0 大型矿砂船 5 0 大型集装箱船4 0 1 5 2 5 万载重吨油船 2 0 - 3 0 万吨级以上货船 1 8 7 0 0 0 载重吨货船 1 8 因此，自六十年代以来，国外各船厂皆以建立平面分段流水线作为技术改造的一个 主要内容。船体平面分段装焊流水线的出现，标志着流水线生产方式在造船中己发展到 船体装配焊接方面，这是船舶由单船的制造方式向流水批量生产方式过度的一个重要内 容。 1 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 1 1 2 平面分段装焊流水线的优点 设置平面分段装焊流水线的前提是要有数量比较多的平面分段，在大中型船厂设置 平面分段装焊流水线比小厂有利，由于流水线经济效果甚为显著，因而各船厂尽量组建 平面分段流水线，其优点有下面几点： 提高效率，在单位时间内能生产较多的分段； 由于在车间室内生产，改善了工作环境，工位布置合理，实现自动化、机械化操 作，提高了单位面积产量； 采用辊道传送，提高了运输效率，从而节省了运输费用及工时； 由于实现了专业施工，因而提高了平面分段的精度与装配焊接质量，有利于船台 总装； 由于生产集中，管理方便、有效，而且消除了通常装配时必要的定位焊和为消除 定位焊疤而随之产生的批铲、修补工作，可节约人工与材料： 由于按工序、按区域组织生产，所以，生产就能按顺序而有规律地进行，效率高、 质量好，符合现代化管理方式。 由于平面分段装焊流水线具有上述优点，所以，应从设计与工艺上改进，提高平面 分段的百分比，扩大平面分段范围，为船厂建立平面分段装焊流水线创造良好条件。 1 1 1 3 平面分段装焊流水线的工位设置 平面分段装焊流水线的工位，各船厂都不一致。根据具体情况，通常以8 - 1 0 个工 位较普遍，主要工序有钢材准备、板材拼焊、划线切割、构架装焊、分段运出等。 流水线主要靠传送辊道传送。 1 1 2 两种典型的平面分段装焊流水线 目前国内外很多船厂都设置了平面分段装焊流水线，比较典型的有直线流程型和l 型流程型两种。 1 2 1 直线流程型 直线流程型有十个工位，板列拼焊采用单面自动焊。各船厂普遍采用这种型式的流 水线，其工位布置( 图1 1 ) 如下： 配板用配板机配板，并进行定位焊； 焊接钢板采用单面自动焊，装有焊机的门架沿轨道移向焊缝，在焊缝上固定 后，用按钮操纵装在门架上的两台焊机进行焊接。衬垫是焊剂铜块垫，衬块由十多台平 车组成，平车上设电磁铁，以保证钢铁贴紧； 火连理j i ：火学专业学位硕十学位论文 划线、切割在己拼焊好的钢板上，划出余量线，并将余量切除； r ，卜1 厂 r 一r m 卜广；? 一一ji 一 r 一r 一一 。= - t _ 一：。一一i ：一。：j - - - - 。；7 一一 一一一_ ：一一 ，l 一毒 一一；：一 0 鼍一一j - i 。二一一一上一一 注：1 一配板；2 焊接钢板；3 一划线、切割：4 一装配纵骨；5 一焊接纵骨； 6 一配集横骨架；7 一横骨架定位焊； 8 焊接横骨架：9 一修整焊缝；l o 一运出下间 图1 1 直线流程型分段装焊流水线示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go fs t r a i g h tp a n e lp r o d u c t i o nl i n e 装配纵骨纵骨通过传送机构，一根接一根送到流水线上，然后靠电子控制的 分度装置将每根纵骨自动精确地放到板列的预定位置上； 焊接纵骨两台大型焊接装置设置在另一门架上，可同时焊接若干根纵骨； 配集横骨架； 横骨架定位焊； 焊接横骨架； 修整焊缝； 运出车间利用液压设备将分段顶起，然后利用自升式重型拖车，把分段运往 主船台旁的堆场。 这一流水线的特点是：钢板拼焊采用单面自动焊，不需将钢板翻转；因直线的工艺 流程不需设回转设备；加工、部件装配和分段装配可集中在同一跨内。 1 1 2 2l 型流程型 l 型流程型的工位( 图1 2 ) 如下： 下料切割钢板由电磁吸盘吊放到数控切割平台上，进行下料切割； 拼板、焊接将上述切割好的板料吊运到电磁平台上，钢板被对准、吸紧后，进 行定位焊和板缝正面的焊接工作； 板列翻身可用吊车翻身，若车间高度不够，可在该工位挖一深坑，坑内安装一 台翻身机进行板列翻身。而后进行板缝封底焊； 二次下料、划线当板列两面焊接完毕，板列由另一传辊运送至数控切割平台上。 将板列边缘修整到规定尺寸，并用气割机的号料冲头进行号料、划线； 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 j j ! 坚 0 鲨! l = 二_ = ：= ：矗 畦 己二a 寄= 二二二i 蚩 厅r nil 注：1 一下料切割；2 一拼板、焊接：3 一板列翻身；4 一二次- 卜料、划线； 5 一板列旋转；6 一装焊纵向构件； 7 一装焊横向构件；8 一分段运出车间 图1 2l 型流程平面分段流水线示意图 f i g 1 2ls c h e m a t i cd r a w i n go flp a n e lp r o d u c t i o nl i n e 板列旋转板列号料、划线后被送到该工位，如需旋转，则可通过该工位的水平 转台将板列旋转到规定的角度； 装焊纵向构件焊接板列在该工位后，纵向构件自动传送至板列上，使自动埋弧 角焊机把纵向构件装焊到板列上； 装焊横向构件板列装焊纵向构件后，装配横向构件，并进行焊接： 分段运出分段完成后，即运送至船台旁的堆场。 1 1 3 平面分段装焊流水线的主要工艺方式 1 3 1 拼板焊接工艺 ， 拼板焊接工艺有单面焊、双面焊不需翻身焊接，省去工序，所以效率高、投资低， 目前在日本、西班牙、南斯拉夫等国船厂应用较广。但另一些国家的船厂却认为单面焊 质量难以控制，修补率高，角变形大，尤其采用合金钢板后，对焊接技术要求更高，加 之单面焊的焊接材料昂贵，所以他们多采用双面焊工艺。若图1 1 所示流水线采用双面 焊工艺，则在2 号工位与3 号工位之间，增设一个板列翻身焊接工位。 寸j_- 二一| | | | | 蕾一 火连理t 大学专业学位硕十学f 移论文 确保单面焊缝质量的关键是如何使焊钢板和焊接平台紧密贴合，保证钢板在焊接过 程中不在平台上滑动。常采用的拼板压紧型式主要有三种： 压力架式拼板机利用油缸或汽缸所产生的力，通过压架将钢板紧压在平台上。 电磁平台在衬垫的两边，每隔一定距离装设电磁铁，通电吸紧钢板使之固定。 自重式依靠钢板自重使其本身固定不动，但这种型式仅使用于厚在2 6 毫米以 上的钢板。e 1 1 3 2 构架装焊工艺 构架装焊工艺大致可分为两大类。一种是线装焊法，即在板列上全部装焊纵向构件 后再装焊横向构件。另一种是框架装焊法，即将纵向构件和横向构件先装焊成井字形的 框架，然后再装焊到已拼焊好的板列上面，这两类工艺方式的特点如下： 线装焊法是在整线连续生产方式下，拼板、装焊构架并形成分段，分段的构架装 配和焊接是在同一工位上完成。框架装焊法则是分别形成板列与框架，然后再组合成为 分段。 线装焊法的主向构件装焊是全自动的，而另一向构件的装焊则多数为手工操作。 框架装焊法之框架装焊的方法有二：一是强构件先定位，主向构件由装配机插入强构件 的开口槽中；二是主向构件全部定位后，用顶推机将强构件插入主向构件。 板列与构架以及构架之间的焊接，有重立焊、自动平角焊、双面自动角焊、气体保 护自动立角焊和下行焊等多种方法。e 1 1 3 3 板列翻身工艺 拼板采用双面焊时，需要进行反面焊接，板列必需翻身。通常，可用行车进行板列 翻身，有的船厂则用特殊的翻板机。翻板时，需要车间具备一定的高度。有的则在流水 线相应工位处挖有较深的深坑，坑内安装一翻板装置来进行板列翻身工作。这样可降低 平面分段装焊流水线厂房的建筑高度。 1 1 3 4 板列旋转 由于流水上的装载拼板机和构架装焊机的门架横跨于传送平台之上，拼板缝与主向 构件的方向只能相互平行，而当板缝与主向构件垂直时，如隔舱壁和横骨架式的分段， 这时板列必须作9 0 。的旋转。若图1 1 所示流水线需进行板列旋转时，可在其原3 号工 位中装设旋转设备。液压顶升翻板机能自行驱动旋转3 6 0 。，小车驱动旋转9 0 。，气垫 顶升链条驱动旋转3 6 0 。 1 3 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 1 3 5 板、板列和型钢的定位 使板、板列和型材精确定位是平面分段流水线的关键工艺之一。在国外，拼板时板 与板列的侧向定位，一般采用固定导轮和推板机来实现。对中、小型船舶也有采用电磁 横移机构的，即电磁头吸附钢板，由液压缸来推动。定位后，电磁头仍吸附钢板起固定 板材的作用。 拼板时，板与板列的纵向定位，国外一般采用定位挡马与链式拉板机实现。国内船 厂则采用在装焊位置上的自动升降定位销，辅之以辊道驱动。这种机构使用效果较好， 而且结构简单，能适应各种状况和规格的板材及构件的定位需要。 型钢定位的要求，一是要把分段定在机器装焊构件的位置上，二是把型钢定到分段 的相应位置。国内用磁力拉床式的分段自动定位装置，通过数字控制油缸、电磁来牵引 分段，使之准确定位和固定。 型钢的准确定位，由送料机、移板机和构件装焊机联合完成。送料机将型钢送到分 段的相应工位上，移板机将分段定位于构件装焊机下，由该机的夹紧、压紧及角度调整 等装置联合完成准确定位。 1 1 4 国内现状 由于平面分段流水线具备了上述特点，在9 0 年代后国内船厂丌始建造平面分段流 水线，并相继建造了多条，但相比国外要晚很多。早期建造的船厂有大连造船厂、大连 造船新厂、沪东造船厂、江南造船厂、广船国际，近几年有外高桥造船有限公司、渤海 船舶重工有限责任公司等也相继建造。这些流水线基本上采用的是直线流程型，借鉴了 国外先进经验，引进了先进设备，并依据各船厂工艺特点、工作量、承接船舶类型，对 各自的流水线工位尺寸、布置进行相应的调整优化。与国外相比，虽工位布置和所配置 设备性能差别不大，但由于管理模式不同，致使流水线的使用效果也不一样，国内分段 的产量相对较低。但总体上看，平面分段流水线已为国内各船厂提高分段建造的效率和 质量水平发挥了重要作用，在分段建造的方式上大大进步。今后，随着各船厂生产管理 方式的不断发展和进步，平面分段流水线建造分段的效率还会提高。 火连理丁大学专业学位硕十学位论文 2 平面分段流水线设计依据 结合渤海船舶重工有限责任公司实际生产状况、工艺要求及生产能力，提出以下设 计依据： 2 1 产品对象 该流水线主要面向在1 0 万吨船台和水平船台上建造的船舶，且流水线适用于占一 定比例平行中体的大型船舶。设计基准船型如下： 5 万吨双壳体油船 1 0 万吨双壳体油船 1 5 万吨双壳体油船 其他船舶 2 2 生产工艺要求 2 2 1 板列焊接工艺 在分段建造过程中，板列拼焊的工作量占相当比例，且是首道工序，它直接制约着 分段建造进度。而单面焊接双面成型是一种高效焊接技术，大大提高了板列的拼接速度， 减少首道工序时间。因此，该流水线须采用单面焊接双面成型的焊接工艺。 2 2 2 部件安装工序要求 双层底分段属于平直分段，适合在流水上建造。其装焊工艺，一般采用分离装配法。 对于纵骨架式结构双层底分段，其内部构件的分离装焊法之装焊顺序见图2 1 。 装焊旁底桁 壬丌肌忘争u 晷 插入装配肋 嫡亲臌酣底吲磁桁广v l 图2 】纵骨架式装焊顺序 f i g 2 1f i x i n gs e q u e n c eo fl o n g i t u d i n a l f r a m e dp a n e l 对于横骨架式结构双层底分段，其内部构件的分离装焊法之装焊顺序见图2 2 。 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 区亟硝医困 、产 甄 罨d 嗣劳瓤 i s e -t ! ：矗芦兰；， = ；_ _ 一 _ 图3 1 0 肋板、纵桁装配门架 f i g 3 10t a c k i n gf l o o rp l a t ea n dg i r d e rg a n t r y 一3 8 大连理_ r ：大学专业学位硕+ 学位论文 3 3 7 肋板、纵桁装配工位 此工位同上。 3 3 8 肋板、纵桁焊接工位 此工位配有门架一个，上面配有c 0 2 半自动焊接机用于肋板、纵桁的焊接( 见图 3 1 1 ) 。 门架主要规格 尺寸：约2 0 5 0 0 l 4 2 2 0 w 9 0 0 0 h i m 输入电源 ：3 8 0 v5 0 h z 构件通过高度 ：5 m 行走速度：约1 0 m m i n 行走范围：约3 0 m ( 各台车) 导轨长：约7 0 m ( 与肋板、纵桁装配用横台门架共用) 装载焊接电源 ：8 台 横行速度：约6 m m i n 横行范围 ：约1 6 5 m 悬挂送丝装置：吊挂式 焊接电源 ：c p x c 5 0 0 ( o t c ) 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 图3 1 1 肋板、纵桁焊接门架 f i g 3 11w e l d i n gf l o o rp l a t ea n dg i r d e rg a n t r y 一4 0 i l ；i h l i l l li ，j ￥ ，己。；。 一-氍霉 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 3 9 肋板、纵桁焊接工位 此工位同上。 3 3 10 肋板装配、运出工位 此工位用于分段焊缝检查、修补。设有滚轮平台。 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 4 单面焊双面成型焊接最佳效能研究 自动单面焊双面成型是一种高效、较为进步的技术，在近些年被广泛应用。但若要 运用这种焊接方法得到优质的焊缝，必须熟练掌握这种技术特点。那么，本章描述了单 面焊接装置的基本操作方法，拼板定位焊方法、始端和终端的预处理方法以及统计了焊 接过程中常发生的缺陷种类并对其产生原因进行分析、提出解决方法等，这给操作员提 供很好的参考依据，便于操作。 4 1 单面焊装置基本操作 4 1 1 单面焊装置焊接操作过程 见图4 1 。 铜衬垫上撒布约5 m m 厚的底层焊药 钢板传送到该装置的既定位置，板缝对正 i 通过空气软管通气膨胀将确衬垫紧贴到钢板破口底面i n l 在板缝上面撒适量的表层焊药 l n l 在板缝上表面对整个焊缝进行自动焊接 u 空气软管内的空气排除 u 同收焊药、除去焊渣、药皮 u 焊接完成 图4 1 单面自动焊接流程图 f i g 4 1t h ef l o wp l a no fs i n g l e s i d e dw e l d i n g 大连理： = 大学专业学位硕士学位论文 4 1 2 对于不同板厚选择焊接方式 见表4 1 。 表4 1钢板种类、板厚及焊接方法 t a b 4 1t h et y p e ，t h i c k n e s sa n dw e l d i n gm e t h o do fp l a t i n g 4 1 3 电源配置 第1 电极：交流1 5 0 0 a2 台 第2 电极：交流1 0 0 0 a2 台 第3 电极：交流1 0 0 0 a2 台 4 1 4 钢板坡口形状 见表4 2 。 表4 2 钢板坡口形状 t a b 4 2t h eg r o o v es h a p eo fp l a t i n g 标准坡口形状 接头种类板厚。( m m ) 坡口样式角度( 0 )钝边h ( m m )坡口样式角度( )钝边( m m ) 1 0 t 2 0 v - o 、丫 6 0 。3 同厚：茎：茎兰一 ；兰：3 5 3 2 t 3 5 + 根舒阗隙g 篁o 4 5 。6 t - - t 、 3 i 蔓王 秒q ：1 6 习z j m mh y i 再o r , e = 6 0 。 i 山 h = 3 ，a = 2 0 ，b = 5 4 3 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 注：坡口形状的容许范围 坡口角度( o ) ：0 3 。 钝边( h ) ：h 1 5 r a m 根部间隙：l m m 错边：1 5 r a m 定位焊接的焊缝厚度：5 m m 4 1 5 焊接衬垫装置的调节 见表4 3 。 表4 3 焊接衬垫装置的调节 t a b 4 3t h er e g u l a t i o no fc o p p e rb a c k i n g 板厚差焊接衬垫装置的调节 ；焊接衬垫铜板中心 以相同空气 王。v 、t f 臻嘲三 r 弋薪： _- 接头的部位 ，、 l j 与焊接衬垫 1 橱 e 。、 ，r 嵛弄一 1 以相同空气 i 。y 7、 压力同时使t 用两侧的2 l ，、 半。 根空气软 t - - t r 3 m m h j l 趴日o 。 ，| 摩i i 一6 立盯，旨 r j、 一 、 军嬲， f ) r 1 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 4 2 2 根部间隙的处理 见表4 4 表4 4 根部间隙处理方法 t a b l e4 4t h ea p p r o a c ho fr o o tg a p 根部间隙g ( m m )处理内容 。g 。5 磊荛釜碧革面埋弧焊接 0 5 g 1 5 1 5 g 进行单面埋弧焊接之前、用半自动g m a w 或手t 焊进 行1 层密封焊接。 密封焊接的焊缝厚度与定位焊接的焊缝厚度相同。 重新修整坡口，使之符合规定的根部间隙容许误差。 4 2 3 接头部的清扫 单面埋弧焊接开始之前，要清扫坡口内的焊渣、油、灰尘等，不可有杂物在坡口内。 4 2 4 钢板底面清扫 除去钢板底面的熔渣及由定位焊、密封焊接所产生的突起物。 坡口切割时的熔渣或者在定位焊接、密封焊接部位、始端工艺板、终端工艺板等部 位熔透焊道露出坡口底面的时候，要清除到钢板底面。 带有突起物进行焊接时铜衬垫与钢板的紧密性不好，易产生焊瘤。 4 3 始端及终端的处理 单面埋弧焊接过程中在始端及终端会发生回转变形，常发生在焊接部位的端部，产 生裂纹( 一种高温裂纹) 。 为了防止这种端部裂纹，有必要进行下述的处理。 4 3 1 始端的处理 ( 1 ) 单面埋弧焊接前的约束焊接( 阶梯法) 如图4 3 ，在焊缝始端，用半自动g m a w 或手工焊将特定尺寸的工艺板与本体焊接 在一起。为使底层焊药与焊缝紧密贴合，工艺板底面与本体的底面应放在同一平面内。 尽可能的减少工艺板与本体的弯曲。 大连理：l 大学专业学位硕士学位论文 图4 3 阶梯法焊接示意图 f i g 4 3t h es c h e m a t i cd r a w i n go fl a d d e rw e l d i n g ( 2 ) 单面埋弧焊接 单面埋弧焊接要从工艺板上开始。 ( 3 ) 单面埋弧焊接完后始端的处理 单面埋弧焊接后，气刨图4 4 的斜线所示部分。目视检查气刨表面无缺陷后，再用 半自动g m a w 或手工焊进行修补。 气刨及修补的焊接部 图4 4 始端处理示意图 f i g 4 4t h es c h e m a t i cd r a w i n go fd e a lw i t ht h es t a r t 始端工艺板 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 4 3 2 终端的处理 ( 1 ) 单面埋弧焊前的终端约束焊接( 阶梯法) 如图4 5 ，在焊缝始端，用半自动g m a w 或手工焊采用多层梯形焊接形式将特定尺寸 的工艺板与本体焊接在一起。为使底层焊药与焊缝紧密贴合，工艺板底面与本体底面应 放在同一平面内。尽可能的减少工艺板与本体的弯曲。 约束焊接的长度从本体的端部开始3 5 0 m m 。 图4 5 终端焊前处理示意图 f i g 4 5t h es c h e m a t i cd r a w i n go fd e a lw i t ht h ee n db e f o r ew e l d i n g ( 2 ) 单面埋弧焊终端处理 3 电极焊接的时候 图4 6 终端焊后处理处理示意图 f i g 4 6t h es c h e m a t i cd r a w i n go fd e a lw i t ht h ee n da f t e rw e l d i n g 大连理工大学专业学位硕士学位论文 以下操作是操作员在操作盘上进行输入的。一次性输入条件后，每次以此条件为准 自动进行焊接，参见图4 6 。 在a 点( 约束焊接的端部) l 极的电压提高5 v ，同时l 极的电流降低1 0 0 a 在b 点( 从0 点3 0 0 m m ) l 极的电弧停止。 在c 点( 从0 点2 5 0 m m ) t 1 极的电极停止。之后，t 2 极的电流增加1 0 ，同时把焊 接速度降低5 - 8 c m m i n 。 在d 点( 从0 点1 5 0 m m ) t 2 极的电弧停止。 2 电极焊接的时候 以下操作是操作员在操作盘上进行输入的。一次性输入条件后，每次以此条件为准 自动进行焊接。 在a 点( 拘束焊接的端部) l 极的电压提高5 v ，同时l 极的电流降低1 0 0 a 在b 点( 从o 点3 0 0 m m ) l 极的电弧停止。 在c 点( 从o 点2 5 0 m m ) t 极的电流增加1 0 9 6 。同时把焊接速度降低5 8 c m m i n 。 在d 点( 从0 点1 5 0 m m ) t 极的电弧停止。 ( 3 ) 单面埋弧焊接后的终端缺陷处理 单面埋弧焊接后，气刨图4 7 的斜线所示部分。目视检查气刨表面无缺陷后，用半 自动g m a w 或手工焊进行修补。 气刨及修补焊接部 终端i 艺板 图4 7 焊后终端处理示意图 f i g 。4 。7t h es c h e m a t i cd r a w i n go fd e a lw i t ht h ee n da f t e rw e l d i n g 4 。4 交叉焊缝的焊接顺序 板列上有交叉焊接时，为防止裂纹应按以下顺序进行焊接，见图4 8 。 用半自动g m a w 或手工焊接到对接坡口表面，进行约束焊接长度3 0 0 m m 以上。 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 用半自动g m a w 或手工焊在f c u b 埋弧焊接的焊缝接头的交叉部位上进行单层焊道 的焊接，长度6 0 0 r n m 。 在焊缝接头的交叉部位上用砂轮做出光滑的坡口。 在焊缝接头的部位上用f c u b 埋弧焊接进行连续焊接。 f c u b 埋弧焊接后再焊接对接处。 图4 8 交叉焊缝的焊接顺序示意图 f i g 4 8t h es c h e m a t i cd r a w i n go fw e l d i n gs e q u e n c ew h e nw e l d i n gt h ec r o s sb e a d 4 5 缺陷发生的原因及其对策 采用f c u b 焊接方法时，若处理不当，易产生缺陷。表5 5 列出缺陷种类、原因及 对策。 采用单面埋弧焊接方法时，若处理不当，易产生缺陷如下： 裂纹包括：终端裂纹、梨形裂纹、横向裂纹； 形状不良包括：表层焊缝不足、底面焊缝不足、底面焊缝过大、焊瘤毛刺、跑火、 底面焊瘤、底面焊缝的再熔化； 内部缺陷包括：夹渣、凹坑、气孔、气泡。 下面分析出现的各种产生的原因，之后采取适当的对策。 4 5 1 裂纹 ( 1 ) 终端裂纹 现象：从接头终端约5 0 0 m m 易发生裂纹。通常是埋在焊缝里的，极个别的裂缝出现 了表面上。见图4 9 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 产生原因：由于焊接应变引起母材坡口变形，当燃弧熔化了母材的定位焊点时，就 突然被开放，因而产生引起焊缝裂纹的应力。此时弧坑后面的热脆弱部分容易发生纵向 裂纹。 对策：通常采用2 种方法：采用完全约束法，使终端坡口不产生开放性变形； 采用缓慢地开放坡口变形的方法，使之不产生内应力，防止裂纹发生。 一般前者较为实用。自动焊接前，在接头终端3 0 0 - - - 4 0 0 m m 处用手工焊接进行约束 密封焊接，自动焊接时到此位置将先行电极切断，不使它们熔化，如图4 1 0 。 工艺板 叨 a a 图4 9 终端裂纹 f i g 4 9e n dc r a c k ( 阶梯法) l工艺板 图4 1 0 完全约束法 f i g 4 10f u l l yb o u n db yl a w ( 2 ) 梨形裂纹 现象：见图4 1 l 。 产生原因：先行电极容易形成对接凝固并产生梨形 裂纹，用f c u b 法焊接，铜板的冷却及后行电极的适度 的熔融而产生向上的凝固，从而发生裂纹。 引起后行电极熔融不足的原因。 1 ) 电流不足；2 ) 电压过大；3 ) 电极间距过宽 由于上述原因初层容易形成细长形。 对策：必须加深后行电极的熔融，并使先行电极的 柱状晶体偏向上。为此要适当地管理电流、电压、电极 间距。调整后焊缝见图4 1 2 。 a a 图4 1l 梨形裂纹 f i g 4 11p e w - s h a p e dc r a c k 图4 1 2 质量好的焊缝形状 f i g 4 12g o o dw e l d i n gs h a p e 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 ( 3 ) 横向裂纹 现象：产生跑火、在有凸凹的底焊缝上产生横向裂纹( 热裂纹) 。l o m m 以下的薄板 容易产生此裂纹。 产生原因：因铜板冷却不均而引起冷却慢的地方( 凹部的地方) 产生裂纹。 对策：加强铜板的接触性，可以防止跑火、毛刺等缺陷。当焊缝过大容易受到铜板 的影响，易产生横向裂纹，特别对于薄板要注意。 l o m m 以下的薄板最好不要用单面焊接。 4 5 2 形状不良 ( 1 ) 表层焊缝不足 现象：表层焊缝没有适当的肉厚及宽度。 产生原因：对于焊缝宽度：电压过小；焊药撒布量过多；焊接速度过快等原因所 致：对于肉厚不足：电流不足；坡口不齐；底面焊缝过于突出等原因所致。 对策：按规程设置焊接条件；严格控制坡口形状，当根部间隙超过 m m 时要进 行密封焊接或在间隙上填碎焊丝。 ( 2 ) 底面焊缝不足 现象：底面焊缝没有适当的肉厚及宽度。 产生原因：电流不足；电压过大；坡口不齐；向上贴紧的压力过大。 对策：合理地设定焊接条件，坡口形状；向上贴紧的压力大致为0 2 - l k g c m 2 。 ( 3 ) 底面焊缝过大、焊瘤毛刺、跑火 现象：底面焊缝比正常的大，并且有焊瘤或者毛刺等缺陷发生。 产生原因：基本上是底层焊药接触不良，特别是存在板厚差及段差的接头时容易发 生。 对策：底层焊药撒布均匀；底层焊药和焊缝要严格对中；向上贴紧的压力要 适当；铜板的维护保养：合理地管理电流：钢板要有充分约束。 ( 4 ) 底面焊瘤 现象：底面焊缝的表面产生毛瘤状的凸起。 产生原因：钢板与底层焊药接触不充分时容易发生。 对策：加强钢板与底层焊药的接触性。 ( 5 ) 底面焊道再熔化 现象：由先行电极所生成的底面焊道被后行电极再次熔化、焊缝表面形成凹部，见 图4 1 3 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 产生原因：后行电极电流过大；电极间距过窄。 对策：合理地设定焊接条件。 图4 1 3 底面焊道再熔化 f i g 4 13b o t t o mb e a ds m e l t e da g a i n 4 5 3 内部缺陷 ( 1 ) 夹杂 现象：在焊层之间产生融合不良，容易发生夹渣现象，见图4 1 4 左；有时是 由后行电极将底面焊缝再熔化时，将焊渣吸起加入焊缝中，见图4 1 4 右。 图4 1 4 夹杂 f i g 4 14i n c l u s i o n 产生原因：电极焊丝没有对正中心；后行电极的电流不足；电极间距过宽； 焊丝导送不良，焊头晃动 对策：严格进行对中心；合理地管理焊接条件：焊接机的维护保养。 ( 2 ) 凹坑、气孔、气泡 现象：产生的气泡，见图4 1 5 左；焊缝表层出现凹坑；在终端约束焊缝上 的埋焊部发生的凹坑、气孔，见图4 1 5 右。 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 4 6 切口工艺板法 气孔 a a 拘束焊缝缺陷 4 1 5 凹坑、气孔、气泡 f i g 4 15c o n c a v ep i t ，b l o w h o l ea n db u b b l e 4 6 1 终端的处理 终端工艺板法是防止裂纹及其简单的方法，由于工艺板强度的限制，会使板缝终端 裂纹发生率大大降低。2 0 m m 的板厚较为合适。 将切口长度为1 5 0 r a m 的特定尺寸的终端工艺板与本体结合。 为使底层焊药保持良好的紧密性，将工艺板底侧表面与本体的底面做成同一平面。 尽可能的减少工艺板与本体的弯曲。 如图4 1 6 所示，用半自动g m a w 或手工焊将切口工艺板与母材焊接。 若从最终定位焊缝到钢板终端的距离太短，那么回转变形开放所产生的应力就会增 大，因此在钢板终端进行点焊，减小应力的产生。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 点焊 半v 型坡口碧 弋终定位焊缝。 ， 切 口 l 审1 ， 哆彩么殄衫刃纪 _ 。 5 0 0 1 5 0 3 0 0 3 0 焊接钢板 工艺板 图4 1 6 拘束焊接示意图 f i g 4 16t h es c h e m a t i cd r a w i n go fc o n s t r a i n tw e l d i n g 4 6 2 切口工艺板法的单面埋弧焊接终端处理 a 图4 1 7 终端处理示意图 f i g 4 17t h es c h e m a t i cd r a w i n go f d e a lw i t ht h ee n d 3 0 0 口先端 以下的操作是操作员在操作盘上进行的。 焊接进入工艺板之后，到切1 2 1 端点a 点时，按l 极、t 1 极、t 2 极的顺序停止电弧， 见图4 1 7 。 平面分段流水线的优化及其最佳效能研究 5 作业人员配置 表5 1 人员配置 t a b 5 1s t a f fc o n f i g u r a t i o n 一5 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 结论 平面分段以流水作业方式建造，打破了传统的建造方式，这是现代化造船中先进制 造方式一个标志。该生产线在实际生产过程中，能够按设计要求平稳、按节奏连续生产， 达到每天建造3 个分段的目标。它实现了高效、改善作业环境、减少工人的劳动强度、 远期成本降低等特征。 本课题选择的产品对象为5 万吨双壳体油船、1 0 万吨双壳体油船、1 5 万吨双壳体 油船，但随着造船业的不断发展，造船能力的不断扩大，现在产品扩大到2 9 7 万吨、 3 2 万吨、3 8 8 万吨等v l c