為了控制船舶自重，提高內(nèi)部空間利用率，高強(qiáng)度薄板在船舶中得到了大量應(yīng)用。但是，在現(xiàn)場建造中，薄板焊接對于工藝參數(shù)的控制要求高，容易發(fā)生收縮、彎曲、翹曲等變形，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和尺寸精度。因此，在船舶薄板結(jié)構(gòu)的建造中，需要引入矯正工藝以控制焊接變形，保證成品質(zhì)量。傳統(tǒng)的變形矯正技術(shù)包括機(jī)械矯正法和水火矯正法[1]，這兩種方法操作簡單，但依賴于現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的積累，對工人操作技能要求高，限制了薄板結(jié)構(gòu)的建造效率和自動(dòng)化程度。
近些年來，感應(yīng)熱矯正技術(shù)作為一種新的矯正方法，受到了船廠和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，其生產(chǎn)效率是人工火焰矯正的3~4倍[2]，可以在4s內(nèi)將鋼板加熱到居里溫度(740℃)[3]，。該技術(shù)可以提高矯正過程的精度，有利于實(shí)現(xiàn)薄板焊接變形矯正技術(shù)的自動(dòng)化控制。本文對該技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其在船舶中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，展望該技術(shù)在船舶領(lǐng)域的發(fā)展方向。
感應(yīng)熱矯正技術(shù)研究現(xiàn)狀
感應(yīng)熱矯正技術(shù)是基于電磁感應(yīng)加熱理論發(fā)展的一種焊接變形矯正技術(shù)，感應(yīng)器上通過高頻的交流電后，在鋼板上會(huì)形成變化的磁場，產(chǎn)生變化的電場，形成感應(yīng)渦流。在金屬材料電阻的作用，渦流區(qū)域產(chǎn)生了熱。圖1是感應(yīng)熱矯正的示意圖[?]。由于集膚效應(yīng)，鋼板表面的電流密度較高，在垂直厚度方向上產(chǎn)生溫度梯度，形成集中加熱區(qū)。加熱區(qū)的溫度可以控制在規(guī)定要求范圍內(nèi)，通過熱應(yīng)力使得薄板發(fā)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的焊后變形矯正。
圖1 (a)感應(yīng)加熱示意圖[?]
圖1 (b)現(xiàn)場實(shí)物圖
感應(yīng)熱矯正技術(shù)對人員操作經(jīng)驗(yàn)依賴小，設(shè)備自動(dòng)化程度高，可重復(fù)多次進(jìn)行焊接變形矯正，得到了船廠和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。Mark Wells等[?]專門開發(fā)了感應(yīng)熱矯正系統(tǒng)，矯正后有94%左右的甲板在誤差允許范圍內(nèi)，節(jié)省約75%的時(shí)間。楊興林等[?]對比分析了火焰矯正和感應(yīng)熱矯正，如表1所示，感應(yīng)加熱的矯直性能達(dá)到95%，材料的柔性僅減少7%，并且減少了對操作環(huán)境中易燃物品的危險(xiǎn)。王小龍等[?]結(jié)合某型船使用情況，分析了感應(yīng)熱矯正技術(shù)在工效、技術(shù)及成本等方面的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)熱感應(yīng)矯正設(shè)備的最大特點(diǎn)在于可對4-8mm板材進(jìn)行有效的矯正，解決了船體結(jié)構(gòu)薄板大范圍變形的問題。
表1 火焰加熱與感應(yīng)加熱在矯直鋼板過程中的性能比較
感應(yīng)熱矯正技術(shù)涉及熱力學(xué)和電磁學(xué)的復(fù)雜過程，近些年來，借助于有限元分析技術(shù)，研究者們定量研究了不同工藝參數(shù)對矯正效果的影響，獲得了適宜的矯正參數(shù)和工藝方案。劉海華等[?]借助于數(shù)值仿真分析方法，可視化研究了感應(yīng)熱矯正中溫度場和應(yīng)力場的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)線圈電流強(qiáng)度及電流頻率的增加可以有效提高薄板溫升速率，如圖2所示。當(dāng)電流強(qiáng)度為110~120A，電流頻率為7kHz時(shí)，薄板焊接變形可以得到較好的矯正效果。王蕾等[?]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)加熱位置采用由焊縫向外逐漸加密的分布方式時(shí)，矯正效果最佳。
圖2 不同線圈電流強(qiáng)度下 Z 向位移量云圖[?]
感應(yīng)熱矯正技術(shù)的應(yīng)用
1、T型結(jié)構(gòu)焊接變形矯正
T型結(jié)構(gòu)是船舶構(gòu)件中一種比較典型的構(gòu)件，在焊接中會(huì)產(chǎn)生面板角變形和縱向彎曲變形，影響構(gòu)件的后續(xù)裝配，有必要對兩種變形進(jìn)行矯正工作，如圖3所示。
圖3 (a)面板角變形矯正的示意圖
圖3(b)縱向彎曲變形的示意圖
對于面板角變形，可用長條形感應(yīng)加熱直接在型材背面矯正。加熱線位于骨架的背部，即“背燒”，當(dāng)變形較小時(shí)，可用單條，燒于骨材正背部；當(dāng)變形嚴(yán)重時(shí)，可燒于骨材的兩側(cè)（距焊縫距離為20-50mm左右）。
對于縱向彎曲變形，可用楔形法矯正，對于變形嚴(yán)重的可兼施外力促其收縮成形，加熱的次序按兩端向中間進(jìn)行，楔形加熱先從凹側(cè)開始。
2、板架結(jié)構(gòu)焊接變形矯正
板架結(jié)構(gòu)的焊接變形大致有三種，瘦馬變形、整體波浪變形、板格中的凹凸變形，示意圖如圖4所示。
圖4 (a)“瘦馬”變形的示意圖
圖4 (b)整體波浪變形的示意圖
圖4 (c)板格中的凹凸變形的示意圖
對于板架的“瘦馬”變形，在加強(qiáng)筋的正背面板面凸起，在加強(qiáng)筋之間板面凹起。矯正方法與矯正面板角變形的方法相同，用長條形感應(yīng)加熱，在骨架的背面加熱，即“背燒”。當(dāng)變形嚴(yán)重時(shí)，可燒于骨材的兩側(cè)（距焊縫距離為20-50mm左右），雙條加熱應(yīng)與單條錯(cuò)開距離。
對于板架的起伏波浪變形，整個(gè)板架結(jié)構(gòu)呈大范圍的凹凸變形，它的矯正方法是先在凹面兩側(cè)的骨架處，用長條形加熱法進(jìn)行“背燒”，然后在凸出面的骨架之間，用長條形加熱法進(jìn)行矯正。如矯正后仍未達(dá)到要求，可重復(fù)進(jìn)行操作。
對于板格中的凹凸變形，在構(gòu)件之間產(chǎn)生的波浪變形。矯正時(shí)，先在骨架處用長條形加熱法進(jìn)行“背燒”，然后在變形的凸部與凹部的交界拐點(diǎn)處用長條法進(jìn)行加熱矯正。
應(yīng)用前景
感應(yīng)熱矯正技術(shù)是一種快捷、方便且綠色環(huán)保的新技術(shù)，對于船舶薄板結(jié)構(gòu)具有良好的矯正效果。目前感應(yīng)熱矯正技術(shù)的穩(wěn)定性亟需進(jìn)一步提升，可以通過模塊化設(shè)計(jì)，搭建包括電源、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊的熱矯正設(shè)備。如果這種技術(shù)能夠在工程中得到廣泛應(yīng)用，則是綠色船舶建造的一項(xiàng)重大突破。
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