許 靜，王秋平，吳百公，谷家揚(yáng)

(江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

豪華郵輪、客船、客滾船等船體由于特殊的多艙室功能需求，其結(jié)構(gòu)中存在大量逐層分隔的艙室，各艙室底面和壁立面通常由厚度為2 mm～8 mm的薄板焊接而成。該板厚分段自身剛性較差，在焊接過(guò)程中由于不同區(qū)域的受熱不均，易導(dǎo)致冷卻后的分段變形量較大，無(wú)法滿足最終的形狀及尺寸偏差要求，因此需要有相應(yīng)的工藝方法來(lái)控制壁立面的焊后變形情況。在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究后發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)船用薄板焊后變形的矯正工藝主要有機(jī)械矯正法、火焰矯正法、電磁感應(yīng)加熱矯正法等。本文針對(duì)目前常用的幾種矯正工藝研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并分析每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)目前研究較多的電磁感應(yīng)矯正法進(jìn)行深入探討，總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)。

1 薄板焊后變形矯正工藝研究現(xiàn)狀

船舶分段主要是由冷、熱軋鋼板、型鋼及他們的成型件裝焊而成，金屬工件在焊接過(guò)程中，焊接熱源可以被看作是移動(dòng)的高溫電弧，距離熱源較近的被加熱部分板件溫度相對(duì)較高，受熱膨脹，未被加熱部分會(huì)抑制膨脹，從而產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)焊接結(jié)束時(shí)，焊縫區(qū)域工件由膨脹變?yōu)槭湛s，但被周圍結(jié)構(gòu)限制收縮，由此產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。由焊接殘余應(yīng)力引起的變形不僅會(huì)影響船體結(jié)構(gòu)的外觀和尺寸，還會(huì)降低其局部強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在一定條件下也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。在船舶建造過(guò)程中，焊接變形是不可避免的，船廠一般在薄板焊接之后采用一定的方法對(duì)其進(jìn)行矯正。

1.1 機(jī)械矯正法

機(jī)械矯正法是在常溫下，通過(guò)對(duì)金屬焊接構(gòu)件施加一定方向和大小的外力，使得金屬構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生壓縮塑性變形的區(qū)域在外力作用下伸展，從而減少或者抵消因焊接產(chǎn)生的塑性變形，最終達(dá)到焊后變形矯正的目的。由于機(jī)械矯正變形容易導(dǎo)致金屬材料加工硬化，因此機(jī)械矯正法只適用于塑性較好的材料，應(yīng)用領(lǐng)域不夠廣泛。同時(shí)，機(jī)械矯正法一般適用于點(diǎn)狀或者面狀變形區(qū)域的矯正，在大面積變形矯正中應(yīng)用較少，因此船廠在對(duì)薄板構(gòu)件的矯正中很少使用機(jī)械矯正法[1,2]。

1.2 火焰矯正法

火焰矯正法是通過(guò)火焰噴槍，在產(chǎn)生塑性變形的金屬構(gòu)件的拉伸部分，按照一定的規(guī)律對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)加熱。待被加熱部件溫度降到常溫后，焊接構(gòu)件中之前被加熱部分會(huì)產(chǎn)生不可逆的壓縮塑性變形，該變形在整個(gè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)傳遞，達(dá)到整個(gè)焊接構(gòu)件變形矯正的目的?；鹧娉C正一般利用氧-乙炔焰或氧-丙烷焰作為加熱熱源，可通過(guò)噴水冷卻或空氣冷卻的方式對(duì)板件進(jìn)行冷卻。目前基于火焰加熱的矯正技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，各大船廠在對(duì)薄板焊后矯正時(shí)大多采用該方法。

Njiraini等[3]采用火焰加熱來(lái)矯正對(duì)接焊縫的焊接變形，對(duì)接火焰矯正法受多個(gè)參數(shù)影響，包括加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱區(qū)域和加熱位置，其實(shí)際矯正效果主要取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)，而大量的工藝探究導(dǎo)致制造成本增加。Zhang等[4]利用有限元軟件模擬了耳板焊接變形和火焰矯正過(guò)程，如圖1所示，通過(guò)分析影響矯正效果的主要因素，發(fā)現(xiàn)火焰矯直的參數(shù)是相互依賴的，加熱寬度對(duì)變形矯直的影響最大。周承波等[5]對(duì)基于火焰加熱的鋼結(jié)構(gòu)焊接變形矯正施工工藝和方法進(jìn)行了深入探討，探究了火工矯正的原理和工藝規(guī)程，對(duì)火工矯正操作過(guò)程中的加熱溫度進(jìn)行了分析，并介紹了低溫矯正、中溫矯正及高溫矯正等特殊的火焰矯正方法?？登锫?lián)等[6]研究了客滾船上層建筑中薄板結(jié)構(gòu)的矯正方法及工藝，客滾船上層建筑大多采用6 mm以下的金屬薄板，針對(duì)薄板易變形且變形區(qū)面積較大等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并對(duì)該板厚的焊后變形矯正方法進(jìn)行了探討。

圖1 不同參數(shù)下矯正效果圖

基于火焰加熱的金屬板件矯正方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、效率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)[7]：①在對(duì)金屬薄板構(gòu)件的矯正過(guò)程中，由于零件本身板厚較小，因此火焰的熱量會(huì)迅速地穿透零件，這就使零件上、下表面的溫差較小，導(dǎo)致對(duì)薄板構(gòu)件矯正效果較差；②船廠中利用火焰加熱矯正材料變形時(shí)，加熱溫度一般不允許超過(guò)850 ℃，零件被加熱溫度的高低一般是靠操作工人的肉眼去判斷的，誤差較大，同時(shí)要求操作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)；③火工矯正操作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒狀排放物，并且會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境的溫度升高并伴隨有大量的噪聲，導(dǎo)致操作人員工作環(huán)境較差并且不利于環(huán)保；④在火焰矯正后，材料表面的應(yīng)力和金相組織晶粒在一定程度上會(huì)變大，這將導(dǎo)致材料的柔性降低、硬度變大，對(duì)材料機(jī)械性能影響較大，可重復(fù)性差。

1.3 電磁感應(yīng)加熱矯正法

感應(yīng)加熱矯正較傳統(tǒng)的火焰矯正有一定的優(yōu)點(diǎn)，與火焰矯正相比，感應(yīng)矯正可以更精確地控制矯正過(guò)程。研究表明，93%～95%左右金屬板件經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)矯正后，可以達(dá)得誤差允許范圍內(nèi)，而火焰矯正后只有51%～56%的金屬板件滿足要求[8]。

韓國(guó)學(xué)者Park等[9]在對(duì)橫梁的角焊接縱向變形研究后認(rèn)為，沿著與焊接方向相反的方向采用感應(yīng)加熱方式可以抵消變形，并結(jié)合有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式闡述了變形產(chǎn)生機(jī)理和感應(yīng)加熱法矯正的可行性。另一位韓國(guó)學(xué)者[10]采用有限元模擬方法對(duì)0.4 mm的不銹鋼薄板進(jìn)行了局部加熱區(qū)域的矯正研究，研究表明矯正效果隨加熱時(shí)間增加而變化，且存在最大矯正效果的最優(yōu)加熱面積值。日本學(xué)者[11]針對(duì)船舶建造過(guò)程中因焊接引起的變形問(wèn)題，采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)作為焊接變形矯正工藝，利用有限元數(shù)值模擬仿真的方法，分析了靜止式感應(yīng)加熱下鋼板的熱彈塑性變形行為，并對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

相比較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)薄板焊接矯正變形的研究和發(fā)展較為緩慢。在船舶建造過(guò)程中，楊興林等[12]對(duì)常見(jiàn)的焊接變形原因和表現(xiàn)形式做了分類，并介紹了每種變形形式相對(duì)應(yīng)的電磁感應(yīng)加熱矯正工藝和方法。王小龍等[13]通過(guò)不同矯正實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在薄板焊后變形控制中優(yōu)勢(shì)明顯。儲(chǔ)樂(lè)平[14]通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)三維電磁感應(yīng)加熱過(guò)程中工件溫度場(chǎng)變化和結(jié)構(gòu)變形情況開(kāi)展了研究。針對(duì)常見(jiàn)的T型材結(jié)構(gòu)角變形，王銘僑[15]采用靜止式感應(yīng)加熱線圈法進(jìn)行變形矯正，分析了T型材面板參數(shù)、加熱工藝等影響因素對(duì)矯正效果的影響，并對(duì)其矯正機(jī)理進(jìn)行研究。大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院的劉玉君教授科研團(tuán)隊(duì)[16]，采用熱力學(xué)數(shù)值分析方法，建立了用于分析典型板架結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)加熱矯正變形的快速計(jì)算模型，分析結(jié)果如圖2、圖3所示。該研究表明，對(duì)存在焊接變形的加筋板工件結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變電磁感應(yīng)加熱參數(shù)對(duì)焊接變形進(jìn)行有效矯正，同時(shí)提出了電磁感應(yīng)加熱矯平工藝參數(shù)的優(yōu)化建議。

圖2 不同厚度薄板變形云圖

圖3 不同厚度薄板z方向變形量對(duì)比圖

2 電磁感應(yīng)矯正設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前電磁感應(yīng)加熱領(lǐng)域的前沿技術(shù)由挪威的易孚迪、美國(guó)的米勒等公司所掌握。其中易孚迪的Terac25/40SM系統(tǒng)(如圖4(a)所示)廣泛應(yīng)用于船舶及海工結(jié)構(gòu)物的薄板焊接變形矯平中，該產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、加熱快速、外露部分防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。但是其單臺(tái)設(shè)備進(jìn)口價(jià)格超過(guò)百萬(wàn)元，國(guó)內(nèi)大多船廠難以承擔(dān)高昂的使用成本，且設(shè)備開(kāi)放程度低，難以進(jìn)行集群化控制，不利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控。此外設(shè)備的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、制造工藝不對(duì)外開(kāi)放，后期的維護(hù)、更換備件往往需要廠家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，設(shè)備的維護(hù)成本極其高昂。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分廠家也開(kāi)展了薄板電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的開(kāi)發(fā)，并取得了一定的成果。蘇州金鵬飛電源科技有限公司自主研發(fā)了中頻、高頻、超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備及JJN-DIH-40型數(shù)字式手持式感應(yīng)加熱機(jī)，如圖4(b)所示，加熱過(guò)程高效精確，無(wú)火焰、無(wú)氣體、無(wú)熱輻射，移動(dòng)方便，可實(shí)現(xiàn)客戶的定制化需求。鄭州鄭大高科電子科技有限公司研發(fā)的8 kW矯直矯平感應(yīng)加熱設(shè)備同樣具有重復(fù)一致的熱傳輸能力，能夠確保加熱周期的可重復(fù)性，在特定的時(shí)間內(nèi)能輸出較大的功率，能量密度高，工作效率顯著提升，如圖4(c)所示。

圖4 國(guó)內(nèi)外電磁感應(yīng)矯正設(shè)備

江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院自2015年以來(lái)以“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的方式，與上海外高橋造船有限公司聯(lián)合開(kāi)展船用薄板電磁感應(yīng)加熱矯平設(shè)備的研制，先后研制出4代產(chǎn)品樣機(jī)。2021年6月推出最新產(chǎn)品JZHY-40系列矯平設(shè)備，并成功應(yīng)用于中國(guó)船舶集團(tuán)“一號(hào)工程”——國(guó)產(chǎn)大型郵輪建造工程，如圖5所示。該設(shè)備可同時(shí)滿足甲板面和垂直壁立面兩種作業(yè)需求，具備60 m超長(zhǎng)距離作業(yè)范圍，具有加熱速度快、熱影響區(qū)域集中、輕巧靈活等特點(diǎn)。

圖5 JHZY-40型電磁感應(yīng)加熱矯平設(shè)備

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，隨著國(guó)家和地方各級(jí)政府不斷加大對(duì)環(huán)境保護(hù)和智能制造的重視和投入，船舶建造過(guò)程中焊后變形控制技術(shù)的智能化、高效化、綠色化、無(wú)害化被各大船舶制造企業(yè)提上建設(shè)日程，采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)進(jìn)行大面積薄板的焊后處理也是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

基于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的相關(guān)裝備近年來(lái)發(fā)展迅速，相關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾點(diǎn)：

(1)超長(zhǎng)距離加熱。目前只有少數(shù)幾家的電磁感應(yīng)加熱設(shè)備作業(yè)距離可以達(dá)到60 m以上，隨著船體結(jié)構(gòu)越來(lái)越大，對(duì)作業(yè)距離提出了更高的要求。

(2)長(zhǎng)距離電纜、水管輔助拖曳裝置。隨著作業(yè)距離的增大，配套的電纜、水管等重量隨之增大，需要研制配套的輔助拖曳裝置，便于作業(yè)。

(3)手持式移動(dòng)加熱器輕量化設(shè)計(jì)。目前手持式移動(dòng)加熱器普遍重量較重，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，輕量化與小型化是今后發(fā)展方向。