船舶復(fù)雜曲板熱加工成形工藝研究

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摘要：在造船業(yè)，大量的雙曲度鋼板需要加工，外板成形加工的效率和質(zhì)量直接影響整個(gè)造船進(jìn)度和質(zhì)量。本文總結(jié)了近年來(lái)火焰加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光成形等熱加工工藝的新進(jìn)展，闡述了船體曲板熱加工成形的國(guó)內(nèi)外研究近況，提出了進(jìn)一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：船體板；熱成形；水火彎板；高頻感應(yīng)加熱

在“中國(guó)制造2025”和“智能制造”的戰(zhàn)略背景下，船舶制造這一傳統(tǒng)制造領(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)智能造船，急需推進(jìn)船舶智能制造生產(chǎn)流水線。在造船行業(yè)有大量的船體復(fù)雜曲面外板需要加工，外板成形加工的效率和質(zhì)量直接影響整個(gè)造船進(jìn)度和質(zhì)量。船舶復(fù)雜曲板成形是實(shí)現(xiàn)船舶智能制造的關(guān)鍵一環(huán)，加工方法分為冷加工成形和熱加工成形。熱加工成形是一種船舶曲面外板成形的重要方法，該方法需預(yù)先設(shè)定加工方案，采用熱源在鋼板表面局部線狀加熱，在鋼板厚度方向上產(chǎn)生一定的溫度梯度，冷卻后沿厚度方向產(chǎn)生不同的收縮變形，從而促使鋼板產(chǎn)生整體變形。按照熱源不同可分為火焰加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光成形等。單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)加工船舶復(fù)雜曲板已無(wú)法滿足智能造船的要求，船舶復(fù)雜曲板自動(dòng)化加工一直是造船業(yè)的研究熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報(bào)，擺脫對(duì)加工經(jīng)驗(yàn)的依賴，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶曲板水火加工自動(dòng)化和智能化，是造船領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者努力的目標(biāo)之一。

1火焰加熱研究現(xiàn)狀

火焰加熱一般利用氧-乙炔或氧-丙烯作為熱源，跟蹤水冷。該方法是目前世界各國(guó)廣泛采用的商船復(fù)雜曲板加工成形方法，具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、適用范圍大等優(yōu)勢(shì)。船體復(fù)雜曲板加工的研究思路一般通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究成形機(jī)理，研究變形和工藝參數(shù)之間的規(guī)律，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，試圖將設(shè)計(jì)曲面和變形建立聯(lián)系，根據(jù)設(shè)計(jì)曲面的數(shù)據(jù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)成形工藝參數(shù)。曲板成形數(shù)值計(jì)算的研究方法主要分為熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法，日本學(xué)者研究水火彎板根據(jù)固有應(yīng)變法，韓國(guó)和國(guó)內(nèi)學(xué)者采用熱彈塑性有限元法。1.1火焰加熱國(guó)外研究近況。日本大阪大學(xué)Vega等[1-2]研究了交叉加熱線對(duì)固有應(yīng)變的影響，研究中將兩條加熱線十字交叉布置。分析了熱輸入、板厚、板長(zhǎng)、板寬對(duì)線變形和角變形的影響，進(jìn)而分析了不同板長(zhǎng)下第一條加熱線長(zhǎng)度和第二條加熱線長(zhǎng)度的比值對(duì)線變形和角變形的影響。揭示了加熱線的交叉效應(yīng)、加熱條件和幾何因素對(duì)固有變形的影響。日本東京大學(xué)Sun等[3]提出了一種基于虛擬樣板的曲面匹配方法，掃描得到加工曲面，根據(jù)設(shè)計(jì)曲面計(jì)算虛擬樣板，采用區(qū)域生長(zhǎng)算法匹配加工曲面和虛擬樣板，開發(fā)相應(yīng)的軟件顯示設(shè)計(jì)曲面和加工曲面的偏差，指導(dǎo)工人進(jìn)行水火彎板加工。韓國(guó)三星重工Park等[4]提出了一種水火彎板加工閉環(huán)的方法，包括加工、曲面測(cè)量、曲面匹配和二次加工等，采用激光掃描曲面，并進(jìn)行曲面匹配，帆形板采用三角形加熱，鞍形板采用線加熱。1.2火焰加熱國(guó)內(nèi)研究近況。徐金雄等[5-6]提出一種基于曲面分解的特征識(shí)別與專家分類方法。將外板曲面分解成橫向彎曲面、縱向彎曲面和扭向彎曲面，再對(duì)分解曲面的特征進(jìn)行分析，總結(jié)出簡(jiǎn)單板型的特點(diǎn)及分類規(guī)則，為外板加工參數(shù)的優(yōu)化選擇提供依據(jù)。此外，提出一種船體外板成形效果的量化評(píng)價(jià)方法，將設(shè)計(jì)曲面和加工曲面的肋骨線置于同一坐標(biāo)系下，計(jì)算肋骨線關(guān)鍵點(diǎn)的曲率，計(jì)算兩個(gè)曲面關(guān)鍵點(diǎn)肋骨線曲率的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，據(jù)此量化水火彎板的成形進(jìn)度。江蘇大學(xué)齊亮等[7]研究了水火彎板成形影響因素對(duì)表面溫度和變形的影響。為比較不同成形條件下的熱輸入，提出了單位面積熱源總能量的有效輸入和在單位時(shí)間和面積下熱源總能量的有效輸入。研究了這兩個(gè)影響因素和鋼板表面最高溫度和加熱深度之間的關(guān)系，分析了單位面積熱源總能量的有效輸入對(duì)線變形和角變形的影響，從而找到對(duì)角變形和線變形有較大影響的因素。大連理工大學(xué)劉玉君等[8-9]研究了考慮船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報(bào)。為了改進(jìn)基于局部變形研究工藝參數(shù)預(yù)報(bào)對(duì)厚板和大曲率板計(jì)算誤差大的不足，并將曲板檢測(cè)結(jié)果直接用于二次加工參數(shù)預(yù)報(bào)，綜合考慮了撓度變形和局部變形，結(jié)合船體曲板加工實(shí)際特點(diǎn)研究了考慮撓度變形的水火彎板數(shù)值計(jì)算方法，建立了更符合實(shí)際的熱彈塑性水火加工數(shù)值模型。研究了船體外板撓度變形和局部變形之間的關(guān)系，分析了撓度變形和局部變形的規(guī)律，提出了撓度影響數(shù)的概念，建立了撓度影響數(shù)的數(shù)值模型，可根據(jù)撓度影響數(shù)快速計(jì)算撓度變形。研究了基于船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報(bào)方法，并開發(fā)了相應(yīng)的預(yù)報(bào)軟件。將軟件用于實(shí)船板的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報(bào)，檢驗(yàn)了預(yù)報(bào)方法的可靠性。為了解決高強(qiáng)鋼和鋁合金板的成形難題，汪驥等[10-14]提出了一種電磁力輔助水火彎板的新方法。該方法在傳統(tǒng)水火彎板的基礎(chǔ)上施加了電磁力輔助鋼板成形，研究了電磁力輔助水火彎板的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了電磁力相關(guān)的電路，研究了電路參數(shù)影響規(guī)律、加工參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和變形的影響、電磁力輔助鋁板水火彎板的成形機(jī)理，開發(fā)了電磁力輔助水火彎板的加工裝置等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究火焰加熱均取得了一定的成果，研究了不同板件類型的工藝參數(shù)預(yù)報(bào)方法，開發(fā)了各種自動(dòng)化成形設(shè)備。但成形設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平不夠高，難以完全替代工人操作。成形影響因素眾多，研究中考慮了主要因素，忽略了次要因素，對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的偏差。基于數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本不夠多，使得成形結(jié)果不夠準(zhǔn)確。加工曲面的成形檢測(cè)和曲面匹配效率低，且自動(dòng)化檢測(cè)方法難以適應(yīng)船廠的工作環(huán)境。目前水火彎板自動(dòng)化設(shè)備還未在船廠廣泛應(yīng)用。

2高頻感應(yīng)加熱研究現(xiàn)狀

高頻感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)使被加熱的材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。高頻感應(yīng)加熱是火焰加熱的一種替代熱源，國(guó)內(nèi)外學(xué)者早期研究了感應(yīng)加熱應(yīng)用在船舶曲板成形的可行性，近期研究了感應(yīng)加熱多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值計(jì)算，并研究了加工參數(shù)對(duì)變形的影響規(guī)律。2.1高頻感應(yīng)加熱國(guó)外研究近況韓國(guó)材料科學(xué)研究院的Lee等[15-16]研究了不同功率對(duì)SS400鋼板（厚20mm）感應(yīng)加熱成形的影響，溫度梯度隨輸入功率的增加而急劇增加，研究了不同功率下的垂向位移的變化。基于數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了之字形和扇形兩種三角形加熱的厚板溫度和變形，之字形加熱產(chǎn)生的鋼板變形顯著高于扇形加熱，證明之字形加熱更適用于厚板高頻感應(yīng)加熱。韓國(guó)Lee等[17]提出了一種長(zhǎng)方形的線圈，這種線圈不需要在感應(yīng)加熱過(guò)程中移動(dòng)，節(jié)省加熱時(shí)間，將數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。2.2高頻感應(yīng)加熱國(guó)內(nèi)研究近況江蘇科技大學(xué)周宏等[18-20]研究了表面換熱系數(shù)、熱源和材料熱物理性能對(duì)高頻感應(yīng)加熱的影響。利用ANSYS軟件對(duì)高頻感應(yīng)加熱過(guò)程進(jìn)行了熱彈塑性分析，根據(jù)數(shù)值結(jié)果定性分析了換熱系數(shù)對(duì)冷卻至室溫所需的時(shí)間、縱向位移、橫向局部收縮和殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)比較不同加熱速度下參考點(diǎn)溫度的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證熱源模型的有效性，進(jìn)而研究了板厚和移動(dòng)速度對(duì)橫向收縮和橫向角變形的影響。研究了導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)對(duì)變形的影響，橫向收縮變形取決于高溫區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)，橫向角變形取決于低溫區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)。華中科技大學(xué)魯鵬[21]研究了感應(yīng)加熱過(guò)程的相似性，為計(jì)算溫度場(chǎng)提出了熱源在恒定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱的相似條件和與表面最大溫度相關(guān)的物理量。研究了溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的規(guī)律和殘余應(yīng)力對(duì)局部收縮變形和角變形的影響。重慶交通大學(xué)張繼祥等[22]研究了Q345鋼感應(yīng)加熱時(shí)不同功率對(duì)加熱區(qū)域橫向變形、角變形和曲率半徑的影響，研究了加熱過(guò)程和冷卻后鋼板最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的位置。大連理工大學(xué)Zhang[23-24]研究了局部收縮量和感應(yīng)加熱工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。為了得到感應(yīng)加熱工藝參數(shù)和局部變形之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，建立了鋼板移動(dòng)式感應(yīng)加熱的電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，研究了多場(chǎng)耦合下的溫度和變形機(jī)理，并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模型的精度。為了克服感應(yīng)加熱端部效應(yīng)對(duì)板邊局部變形的不利影響，提出了感應(yīng)器移動(dòng)出鋼板板邊和端部三角加熱的方法，利用端部效應(yīng)的外擴(kuò)渦流增加鋼板端部的加熱面積，從而增加鋼板端部的局部收縮量，實(shí)驗(yàn)證明兩種方法均可減小端部效應(yīng)對(duì)局部變形的不利影響。此外，研究了鞍形板感應(yīng)加熱渦流特征和變形分布。提出了局部變形的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，引入了熱影響區(qū)的概念，建立了熱影響區(qū)特征參數(shù)和工藝參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型和局部收縮量和熱影響區(qū)特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，從而建立了局部收縮量和感應(yīng)加熱工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。作為火焰加熱的替代熱源，高頻感應(yīng)加熱具有清潔、容易控制等優(yōu)勢(shì)。高頻感應(yīng)加熱目前還處于成形機(jī)理和成形規(guī)律研究階段，由于其數(shù)值模擬比火焰加熱增加了電磁場(chǎng)的耦合，數(shù)值計(jì)算難度更大，對(duì)于大尺寸板件的數(shù)值計(jì)算速度較慢甚至難以完成。還需進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值計(jì)算模型，研究適用于船舶復(fù)雜曲板成形的電流、電壓、頻率等電磁參數(shù)和加熱位置、加熱線長(zhǎng)度、加熱速度等加工參數(shù)。

3激光成形研究現(xiàn)狀

激光成形是利用激光熱源在板件局部產(chǎn)生非均勻的熱應(yīng)力，產(chǎn)生局部的塑性變形，設(shè)定不同的加工參數(shù)使得板件產(chǎn)生所需的變形。激光成形具有熱源集中、清潔、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合高強(qiáng)度、高硬度和脆性等難成形材料的成形，為解決鈦合金、鎳合金等材料曲板成形提供新思路。由于激光成形能量密度高、熱影響區(qū)小，對(duì)材料性能的影響小，適合薄板的成形加工。3.1激光成形國(guó)外研究近況。巴西航空理工學(xué)院的Siqueira等[25]研究了高強(qiáng)度鋁合金板的激光成形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同功率、掃描速度、光斑直徑等對(duì)1.6mm厚高強(qiáng)度鋁合金板彎曲角度的影響，進(jìn)而找出可產(chǎn)生最大彎曲角度的激光參數(shù)。為驗(yàn)證激光成形的適用性，還將激光成形用于彎曲角度5°的T型材的矯正。3.2激光成形國(guó)內(nèi)研究近況。中國(guó)石油大學(xué)Shi等[26]研究了多道激光成形對(duì)板件成形精度的影響，掃描路徑上由于各位置的最高溫度不同，產(chǎn)生的彎曲角度有一定的差別。為減小彎曲角度的波動(dòng)，針對(duì)2mm厚的小板設(shè)計(jì)了不同的激光掃描路徑方案，比較不同方案下板面最高溫度和彎曲角度沿掃描路徑的分布，找到合適的控制彎曲角度波動(dòng)的方案，指導(dǎo)激光成形加工方案設(shè)計(jì)。激光成形研究處于機(jī)理研究階段，受制于激光器功率和成本的限制，現(xiàn)有激光成形研究的板件尺寸均較小，和板件實(shí)際尺寸差別大。此外，研究中未考慮船舶曲板加工的實(shí)際特點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的功率不斷增加，成本逐步降低，有利于激光成形用于船舶復(fù)雜曲板加工。隨著船舶輕量化和艦船需求的發(fā)展，越來(lái)越多的合金材料需要成形加工。對(duì)于鈦合金、鎳合金等特殊材料，傳統(tǒng)火焰加熱和高頻感應(yīng)加熱難以勝任。因此，為了解決船舶復(fù)雜曲板成形中合金的加工難題，需研究考慮船舶復(fù)雜曲板實(shí)際尺寸和加工特點(diǎn)的激光成形技術(shù)。

4熱矯正工藝研究現(xiàn)狀

英國(guó)思克萊德大學(xué)Barclay等[27]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了加筋板焊后角變形的電磁感應(yīng)矯正。針對(duì)不同的板厚、焊接參數(shù)，設(shè)定不同的電磁感應(yīng)矯正移動(dòng)速度，測(cè)量矯正前后的角變形。分析了不同影響因素對(duì)矯正角變形的影響規(guī)律，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)產(chǎn)生的角變形。武漢理工大學(xué)向祖權(quán)等[28]研究了球扁鋼肋骨縱向彎曲的火工矯正方法，通過(guò)全站儀測(cè)量肋骨和板材的線型，匹配后計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)的裝配偏差，據(jù)此提出了肋骨火工矯正工藝參數(shù)的計(jì)算方法，并開發(fā)了相應(yīng)的參數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)肋骨變形的火工矯正。大連理工大學(xué)王銘僑[29]基于數(shù)值計(jì)算研究了T型材結(jié)構(gòu)的電磁感應(yīng)矯正，分析了T型板件的規(guī)格、空氣間隙、加熱時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)矯正效果的影響規(guī)律，為后續(xù)研究電磁感應(yīng)矯正焊接變形提供參考。汪驥等[13-14]研究了典型板件和板架焊接的電磁感應(yīng)矯正，針對(duì)平板對(duì)接焊和角焊兩種典型的焊接形式，研究了不同焊接參數(shù)和板件尺寸下的變形規(guī)律和殘余應(yīng)力分布規(guī)律。將殘余應(yīng)力分布作為初始條件研究焊接后變形的電磁感應(yīng)矯正。

5結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)水火彎板加工自動(dòng)化和智能化，可借助機(jī)器學(xué)習(xí)等方法研究變形和工藝參數(shù)之間關(guān)系的模型，研究水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報(bào)的智能算法，開發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)化加工裝備。高頻感應(yīng)加熱需進(jìn)一步研究數(shù)值計(jì)算模型，以適應(yīng)船舶復(fù)雜曲板成形大規(guī)模的高效計(jì)算。為了解決特殊材料復(fù)雜曲板成形，需開展船舶復(fù)雜曲板激光成形研究，在船舶輕量化和艦船建造領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

作者:王順 侯立勛 汪驥 劉玉君 單位:大連海事大學(xué)