船舶復雜曲板熱加工成形工藝研究

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摘要：在造船業，大量的雙曲度鋼板需要加工，外板成形加工的效率和質量直接影響整個造船進度和質量。本文總結了近年來火焰加熱、高頻感應加熱、激光成形等熱加工工藝的新進展，闡述了船體曲板熱加工成形的國內外研究近況，提出了進一步研究的方向。

關鍵詞：船體板；熱成形；水火彎板；高頻感應加熱

在“中國制造2025”和“智能制造”的戰略背景下，船舶制造這一傳統制造領域為實現智能造船，急需推進船舶智能制造生產流水線。在造船行業有大量的船體復雜曲面外板需要加工，外板成形加工的效率和質量直接影響整個造船進度和質量。船舶復雜曲板成形是實現船舶智能制造的關鍵一環，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，該方法需預先設定加工方案，采用熱源在鋼板表面局部線狀加熱，在鋼板厚度方向上產生一定的溫度梯度，冷卻后沿厚度方向產生不同的收縮變形，從而促使鋼板產生整體變形。按照熱源不同可分為火焰加熱、高頻感應加熱、激光成形等。單純依靠人工經驗加工船舶復雜曲板已無法滿足智能造船的要求，船舶復雜曲板自動化加工一直是造船業的研究熱點。實現水火彎板工藝參數預報，擺脫對加工經驗的依賴，進而實現船舶曲板水火加工自動化和智能化，是造船領域專家學者努力的目標之一。

1火焰加熱研究現狀

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廣泛采用的商船復雜曲板加工成形方法，具有操作簡單、成本低廉、適用范圍大等優勢。船體復雜曲板加工的研究思路一般通過數值計算和實驗相結合的方法研究成形機理，研究變形和工藝參數之間的規律，建立相關的數學模型，試圖將設計曲面和變形建立聯系，根據設計曲面的數據和相關的數學模型預測成形工藝參數。曲板成形數值計算的研究方法主要分為熱彈塑性有限元法和固有應變法，日本學者研究水火彎板根據固有應變法，韓國和國內學者采用熱彈塑性有限元法。1.1火焰加熱國外研究近況。日本大阪大學Vega等[1-2]研究了交叉加熱線對固有應變的影響，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、板寬對線變形和角變形的影響，進而分析了不同板長下第一條加熱線長度和第二條加熱線長度的比值對線變形和角變形的影響。揭示了加熱線的交叉效應、加熱條件和幾何因素對固有變形的影響。日本東京大學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，根據設計曲面計算虛擬樣板，采用區域生長算法匹配加工曲面和虛擬樣板，開發相應的軟件顯示設計曲面和加工曲面的偏差，指導工人進行水火彎板加工。韓國三星重工Park等[4]提出了一種水火彎板加工閉環的方法，包括加工、曲面測量、曲面匹配和二次加工等，采用激光掃描曲面，并進行曲面匹配，帆形板采用三角形加熱，鞍形板采用線加熱。1.2火焰加熱國內研究近況。徐金雄等[5-6]提出一種基于曲面分解的特征識別與專家分類方法。將外板曲面分解成橫向彎曲面、縱向彎曲面和扭向彎曲面，再對分解曲面的特征進行分析，總結出簡單板型的特點及分類規則，為外板加工參數的優化選擇提供依據。此外，提出一種船體外板成形效果的量化評價方法，將設計曲面和加工曲面的肋骨線置于同一坐標系下，計算肋骨線關鍵點的曲率，計算兩個曲面關鍵點肋骨線曲率的皮爾遜相關系數，據此量化水火彎板的成形進度。江蘇大學齊亮等[7]研究了水火彎板成形影響因素對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間和面積下熱源總能量的有效輸入。研究了這兩個影響因素和鋼板表面最高溫度和加熱深度之間的關系，分析了單位面積熱源總能量的有效輸入對線變形和角變形的影響，從而找到對角變形和線變形有較大影響的因素。大連理工大學劉玉君等[8-9]研究了考慮船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數預報。為了改進基于局部變形研究工藝參數預報對厚板和大曲率板計算誤差大的不足，并將曲板檢測結果直接用于二次加工參數預報，綜合考慮了撓度變形和局部變形，結合船體曲板加工實際特點研究了考慮撓度變形的水火彎板數值計算方法，建立了更符合實際的熱彈塑性水火加工數值模型。研究了船體外板撓度變形和局部變形之間的關系，分析了撓度變形和局部變形的規律，提出了撓度影響數的概念，建立了撓度影響數的數值模型，可根據撓度影響數快速計算撓度變形。研究了基于船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數預報方法，并開發了相應的預報軟件。將軟件用于實船板的水火彎板工藝參數預報，檢驗了預報方法的可靠性。為了解決高強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。該方法在傳統水火彎板的基礎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耦合數值計算方法，設計了電磁力相關的電路，研究了電路參數影響規律、加工參數對溫度場和變形的影響、電磁力輔助鋁板水火彎板的成形機理，開發了電磁力輔助水火彎板的加工裝置等。國內外學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預報方法，開發了各種自動化成形設備。但成形設備的自動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，對計算結果有一定的偏差?；跀抵涤嬎愫蛯嶒灥臄祿颖静粔蚨?，使得成形結果不夠準確。加工曲面的成形檢測和曲面匹配效率低，且自動化檢測方法難以適應船廠的工作環境。目前水火彎板自動化設備還未在船廠廣泛應用。

2高頻感應加熱研究現狀

高頻感應加熱是利用電磁感應使被加熱的材料的內部產生電流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的。高頻感應加熱是火焰加熱的一種替代熱源，國內外學者早期研究了感應加熱應用在船舶曲板成形的可行性，近期研究了感應加熱多物理場耦合的數值計算，并研究了加工參數對變形的影響規律。2.1高頻感應加熱國外研究近況韓國材料科學研究院的Lee等[15-16]研究了不同功率對SS400鋼板（厚20mm）感應加熱成形的影響，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?；跀抵涤嬎愫蛯嶒炑芯苛酥中魏蜕刃蝺煞N三角形加熱的厚板溫度和變形，之字形加熱產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加熱。韓國Lee等[17]提出了一種長方形的線圈，這種線圈不需要在感應加熱過程中移動，節省加熱時間，將數值模型的計算結果和實驗對比驗證了數值模型的有效性。2.2高頻感應加熱國內研究近況江蘇科技大學周宏等[18-20]研究了表面換熱系數、熱源和材料熱物理性能對高頻感應加熱的影響。利用ANSYS軟件對高頻感應加熱過程進行了熱彈塑性分析，根據數值結果定性分析了換熱系數對冷卻至室溫所需的時間、縱向位移、橫向局部收縮和殘余應力的影響。通過比較不同加熱速度下參考點溫度的數值模擬和實驗測量結果，驗證熱源模型的有效性，進而研究了板厚和移動速度對橫向收縮和橫向角變形的影響。研究了導熱系數、線膨脹系數對變形的影響，橫向收縮變形取決于高溫區的導熱系數，橫向角變形取決于低溫區的導熱系數。華中科技大學魯鵬[21]研究了感應加熱過程的相似性，為計算溫度場提出了熱源在恒定速度運動時的準穩態傳熱的相似條件和與表面最大溫度相關的物理量。研究了溫度場和變形場的規律和殘余應力對局部收縮變形和角變形的影響。重慶交通大學張繼祥等[22]研究了Q345鋼感應加熱時不同功率對加熱區域橫向變形、角變形和曲率半徑的影響，研究了加熱過程和冷卻后鋼板最大壓應力和最大拉應力的位置。大連理工大學Zhang[23-24]研究了局部收縮量和感應加熱工藝參數之間的數學模型。為了得到感應加熱工藝參數和局部變形之間關系的數學模型，建立了鋼板移動式感應加熱的電磁-熱-結構耦合模型，研究了多場耦合下的溫度和變形機理，并與實驗對比驗證數值模型的精度。為了克服感應加熱端部效應對板邊局部變形的不利影響，提出了感應器移動出鋼板板邊和端部三角加熱的方法，利用端部效應的外擴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，實驗證明兩種方法均可減小端部效應對局部變形的不利影響。此外，研究了鞍形板感應加熱渦流特征和變形分布。提出了局部變形的簡化計算模型，引入了熱影響區的概念，建立了熱影響區特征參數和工藝參數之間關系的數學模型和局部收縮量和熱影響區特征參數之間的數學模型，從而建立了局部收縮量和感應加熱工藝參數之間的數學模型。作為火焰加熱的替代熱源，高頻感應加熱具有清潔、容易控制等優勢。高頻感應加熱目前還處于成形機理和成形規律研究階段，由于其數值模擬比火焰加熱增加了電磁場的耦合，數值計算難度更大，對于大尺寸板件的數值計算速度較慢甚至難以完成。還需進一步改進數值計算模型，研究適用于船舶復雜曲板成形的電流、電壓、頻率等電磁參數和加熱位置、加熱線長度、加熱速度等加工參數。

3激光成形研究現狀

激光成形是利用激光熱源在板件局部產生非均勻的熱應力，產生局部的塑性變形，設定不同的加工參數使得板件產生所需的變形。激光成形具有熱源集中、清潔、效率高等優點，適合高強度、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、熱影響區小，對材料性能的影響小，適合薄板的成形加工。3.1激光成形國外研究近況。巴西航空理工學院的Siqueira等[25]研究了高強度鋁合金板的激光成形，通過實驗研究了不同功率、掃描速度、光斑直徑等對1.6mm厚高強度鋁合金板彎曲角度的影響，進而找出可產生最大彎曲角度的激光參數。為驗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激光成形國內研究近況。中國石油大學Shi等[26]研究了多道激光成形對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，產生的彎曲角度有一定的差別。為減小彎曲角度的波動，針對2mm厚的小板設計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的方案，指導激光成形加工方案設計。激光成形研究處于機理研究階段，受制于激光器功率和成本的限制，現有激光成形研究的板件尺寸均較小，和板件實際尺寸差別大。此外，研究中未考慮船舶曲板加工的實際特點。隨著激光技術的發展，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雜曲板加工。隨著船舶輕量化和艦船需求的發展，越來越多的合金材料需要成形加工。對于鈦合金、鎳合金等特殊材料，傳統火焰加熱和高頻感應加熱難以勝任。因此，為了解決船舶復雜曲板成形中合金的加工難題，需研究考慮船舶復雜曲板實際尺寸和加工特點的激光成形技術。

4熱矯正工藝研究現狀

英國思克萊德大學Barclay等[27]通過實驗研究了加筋板焊后角變形的電磁感應矯正。針對不同的板厚、焊接參數，設定不同的電磁感應矯正移動速度，測量矯正前后的角變形。分析了不同影響因素對矯正角變形的影響規律，采用神經網絡方法預測不同工藝參數產生的角變形。武漢理工大學向祖權等[28]研究了球扁鋼肋骨縱向彎曲的火工矯正方法，通過全站儀測量肋骨和板材的線型，匹配后計算相應點的裝配偏差，據此提出了肋骨火工矯正工藝參數的計算方法，并開發了相應的參數預報系統，指導現場肋骨變形的火工矯正。大連理工大學王銘僑[29]基于數值計算研究了T型材結構的電磁感應矯正，分析了T型板件的規格、空氣間隙、加熱時間等工藝參數對矯正效果的影響規律，為后續研究電磁感應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矯正，針對平板對接焊和角焊兩種典型的焊接形式，研究了不同焊接參數和板件尺寸下的變形規律和殘余應力分布規律。將殘余應力分布作為初始條件研究焊接后變形的電磁感應矯正。

5結語

為了實現水火彎板加工自動化和智能化，可借助機器學習等方法研究變形和工藝參數之間關系的模型，研究水火彎板工藝參數預報的智能算法，開發相應的自動化加工裝備。高頻感應加熱需進一步研究數值計算模型，以適應船舶復雜曲板成形大規模的高效計算。為了解決特殊材料復雜曲板成形，需開展船舶復雜曲板激光成形研究，在船舶輕量化和艦船建造領域具有一定的應用前景。

作者:王順 侯立勛 汪驥 劉玉君 單位:大連海事大學