船舶复杂曲板热加工成形工艺研究

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摘要：在造船业，大量的双曲度钢板需要加工，外板成形加工的效率和质量直接影响整个造船进度和质量。本文总结了近年来火焰加热、高频感应加热、激光成形等热加工工艺的新进展，阐述了船体曲板热加工成形的国内外研究近况，提出了进一步研究的方向。

关键词：船体板；热成形；水火弯板；高频感应加热

在“中国制造2025”和“智能制造”的战略背景下，船舶制造这一传统制造领域为实现智能造船，急需推进船舶智能制造生产流水线。在造船行业有大量的船体复杂曲面外板需要加工，外板成形加工的效率和质量直接影响整个造船进度和质量。船舶复杂曲板成形是实现船舶智能制造的关键一环，加工方法分为冷加工成形和热加工成形。热加工成形是一种船舶曲面外板成形的重要方法，该方法需预先设定加工方案，采用热源在钢板表面局部线状加热，在钢板厚度方向上产生一定的温度梯度，冷却后沿厚度方向产生不同的收缩变形，从而促使钢板产生整体变形。按照热源不同可分为火焰加热、高频感应加热、激光成形等。单纯依靠人工经验加工船舶复杂曲板已无法满足智能造船的要求，船舶复杂曲板自动化加工一直是造船业的研究热点。实现水火弯板工艺参数预报，摆脱对加工经验的依赖，进而实现船舶曲板水火加工自动化和智能化，是造船领域专家学者努力的目标之一。

1火焰加热研究现状

火焰加热一般利用氧-乙炔或氧-丙烯作为热源，跟踪水冷。该方法是目前世界各国广泛采用的商船复杂曲板加工成形方法，具有操作简单、成本低廉、适用范围大等优势。船体复杂曲板加工的研究思路一般通过数值计算和实验相结合的方法研究成形机理，研究变形和工艺参数之间的规律，建立相关的数学模型，试图将设计曲面和变形建立联系，根据设计曲面的数据和相关的数学模型预测成形工艺参数。曲板成形数值计算的研究方法主要分为热弹塑性有限元法和固有应变法，日本学者研究水火弯板根据固有应变法，韩国和国内学者采用热弹塑性有限元法。1.1火焰加热国外研究近况。日本大阪大学Vega等[1-2]研究了交叉加热线对固有应变的影响，研究中将两条加热线十字交叉布置。分析了热输入、板厚、板长、板宽对线变形和角变形的影响，进而分析了不同板长下第一条加热线长度和第二条加热线长度的比值对线变形和角变形的影响。揭示了加热线的交叉效应、加热条件和几何因素对固有变形的影响。日本东京大学Sun等[3]提出了一种基于虚拟样板的曲面匹配方法，扫描得到加工曲面，根据设计曲面计算虚拟样板，采用区域生长算法匹配加工曲面和虚拟样板，开发相应的软件显示设计曲面和加工曲面的偏差，指导工人进行水火弯板加工。韩国三星重工Park等[4]提出了一种水火弯板加工闭环的方法，包括加工、曲面测量、曲面匹配和二次加工等，采用激光扫描曲面，并进行曲面匹配，帆形板采用三角形加热，鞍形板采用线加热。1.2火焰加热国内研究近况。徐金雄等[5-6]提出一种基于曲面分解的特征识别与专家分类方法。将外板曲面分解成横向弯曲面、纵向弯曲面和扭向弯曲面，再对分解曲面的特征进行分析，总结出简单板型的特点及分类规则，为外板加工参数的优化选择提供依据。此外，提出一种船体外板成形效果的量化评价方法，将设计曲面和加工曲面的肋骨线置于同一坐标系下，计算肋骨线关键点的曲率，计算两个曲面关键点肋骨线曲率的皮尔逊相关系数，据此量化水火弯板的成形进度。江苏大学齐亮等[7]研究了水火弯板成形影响因素对表面温度和变形的影响。为比较不同成形条件下的热输入，提出了单位面积热源总能量的有效输入和在单位时间和面积下热源总能量的有效输入。研究了这两个影响因素和钢板表面最高温度和加热深度之间的关系，分析了单位面积热源总能量的有效输入对线变形和角变形的影响，从而找到对角变形和线变形有较大影响的因素。大连理工大学刘玉君等[8-9]研究了考虑船体外板挠度变形的水火弯板工艺参数预报。为了改进基于局部变形研究工艺参数预报对厚板和大曲率板计算误差大的不足，并将曲板检测结果直接用于二次加工参数预报，综合考虑了挠度变形和局部变形，结合船体曲板加工实际特点研究了考虑挠度变形的水火弯板数值计算方法，建立了更符合实际的热弹塑性水火加工数值模型。研究了船体外板挠度变形和局部变形之间的关系，分析了挠度变形和局部变形的规律，提出了挠度影响数的概念，建立了挠度影响数的数值模型，可根据挠度影响数快速计算挠度变形。研究了基于船体外板挠度变形的水火弯板工艺参数预报方法，并开发了相应的预报软件。将软件用于实船板的水火弯板工艺参数预报，检验了预报方法的可靠性。为了解决高强钢和铝合金板的成形难题，汪骥等[10-14]提出了一种电磁力辅助水火弯板的新方法。该方法在传统水火弯板的基础上施加了电磁力辅助钢板成形，研究了电磁力辅助水火弯板的多物理场耦合数值计算方法，设计了电磁力相关的电路，研究了电路参数影响规律、加工参数对温度场和变形的影响、电磁力辅助铝板水火弯板的成形机理，开发了电磁力辅助水火弯板的加工装置等。国内外学者研究火焰加热均取得了一定的成果，研究了不同板件类型的工艺参数预报方法，开发了各种自动化成形设备。但成形设备的自动化和智能化水平不够高，难以完全替代工人操作。成形影响因素众多，研究中考虑了主要因素，忽略了次要因素，对计算结果有一定的偏差。基于数值计算和实验的数据样本不够多，使得成形结果不够准确。加工曲面的成形检测和曲面匹配效率低，且自动化检测方法难以适应船厂的工作环境。目前水火弯板自动化设备还未在船厂广泛应用。

2高频感应加热研究现状

高频感应加热是利用电磁感应使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。高频感应加热是火焰加热的一种替代热源，国内外学者早期研究了感应加热应用在船舶曲板成形的可行性，近期研究了感应加热多物理场耦合的数值计算，并研究了加工参数对变形的影响规律。2.1高频感应加热国外研究近况韩国材料科学研究院的Lee等[15-16]研究了不同功率对SS400钢板（厚20mm）感应加热成形的影响，温度梯度随输入功率的增加而急剧增加，研究了不同功率下的垂向位移的变化。基于数值计算和实验研究了之字形和扇形两种三角形加热的厚板温度和变形，之字形加热产生的钢板变形显著高于扇形加热，证明之字形加热更适用于厚板高频感应加热。韩国Lee等[17]提出了一种长方形的线圈，这种线圈不需要在感应加热过程中移动，节省加热时间，将数值模型的计算结果和实验对比验证了数值模型的有效性。2.2高频感应加热国内研究近况江苏科技大学周宏等[18-20]研究了表面换热系数、热源和材料热物理性能对高频感应加热的影响。利用ANSYS软件对高频感应加热过程进行了热弹塑性分析，根据数值结果定性分析了换热系数对冷却至室温所需的时间、纵向位移、横向局部收缩和残余应力的影响。通过比较不同加热速度下参考点温度的数值模拟和实验测量结果，验证热源模型的有效性，进而研究了板厚和移动速度对横向收缩和横向角变形的影响。研究了导热系数、线膨胀系数对变形的影响，横向收缩变形取决于高温区的导热系数，横向角变形取决于低温区的导热系数。华中科技大学鲁鹏[21]研究了感应加热过程的相似性，为计算温度场提出了热源在恒定速度运动时的准稳态传热的相似条件和与表面最大温度相关的物理量。研究了温度场和变形场的规律和残余应力对局部收缩变形和角变形的影响。重庆交通大学张继祥等[22]研究了Q345钢感应加热时不同功率对加热区域横向变形、角变形和曲率半径的影响，研究了加热过程和冷却后钢板最大压应力和最大拉应力的位置。大连理工大学Zhang[23-24]研究了局部收缩量和感应加热工艺参数之间的数学模型。为了得到感应加热工艺参数和局部变形之间关系的数学模型，建立了钢板移动式感应加热的电磁-热-结构耦合模型，研究了多场耦合下的温度和变形机理，并与实验对比验证数值模型的精度。为了克服感应加热端部效应对板边局部变形的不利影响，提出了感应器移动出钢板板边和端部三角加热的方法，利用端部效应的外扩涡流增加钢板端部的加热面积，从而增加钢板端部的局部收缩量，实验证明两种方法均可减小端部效应对局部变形的不利影响。此外，研究了鞍形板感应加热涡流特征和变形分布。提出了局部变形的简化计算模型，引入了热影响区的概念，建立了热影响区特征参数和工艺参数之间关系的数学模型和局部收缩量和热影响区特征参数之间的数学模型，从而建立了局部收缩量和感应加热工艺参数之间的数学模型。作为火焰加热的替代热源，高频感应加热具有清洁、容易控制等优势。高频感应加热目前还处于成形机理和成形规律研究阶段，由于其数值模拟比火焰加热增加了电磁场的耦合，数值计算难度更大，对于大尺寸板件的数值计算速度较慢甚至难以完成。还需进一步改进数值计算模型，研究适用于船舶复杂曲板成形的电流、电压、频率等电磁参数和加热位置、加热线长度、加热速度等加工参数。

3激光成形研究现状

激光成形是利用激光热源在板件局部产生非均匀的热应力，产生局部的塑性变形，设定不同的加工参数使得板件产生所需的变形。激光成形具有热源集中、清洁、效率高等优点，适合高强度、高硬度和脆性等难成形材料的成形，为解决钛合金、镍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、热影响区小，对材料性能的影响小，适合薄板的成形加工。3.1激光成形国外研究近况。巴西航空理工学院的Siqueira等[25]研究了高强度铝合金板的激光成形，通过实验研究了不同功率、扫描速度、光斑直径等对1.6mm厚高强度铝合金板弯曲角度的影响，进而找出可产生最大弯曲角度的激光参数。为验证激光成形的适用性，还将激光成形用于弯曲角度5°的T型材的矫正。3.2激光成形国内研究近况。中国石油大学Shi等[26]研究了多道激光成形对板件成形精度的影响，扫描路径上由于各位置的最高温度不同，产生的弯曲角度有一定的差别。为减小弯曲角度的波动，针对2mm厚的小板设计了不同的激光扫描路径方案，比较不同方案下板面最高温度和弯曲角度沿扫描路径的分布，找到合适的控制弯曲角度波动的方案，指导激光成形加工方案设计。激光成形研究处于机理研究阶段，受制于激光器功率和成本的限制，现有激光成形研究的板件尺寸均较小，和板件实际尺寸差别大。此外，研究中未考虑船舶曲板加工的实际特点。随着激光技术的发展，激光器的功率不断增加，成本逐步降低，有利于激光成形用于船舶复杂曲板加工。随着船舶轻量化和舰船需求的发展，越来越多的合金材料需要成形加工。对于钛合金、镍合金等特殊材料，传统火焰加热和高频感应加热难以胜任。因此，为了解决船舶复杂曲板成形中合金的加工难题，需研究考虑船舶复杂曲板实际尺寸和加工特点的激光成形技术。

4热矫正工艺研究现状

英国思克莱德大学Barclay等[27]通过实验研究了加筋板焊后角变形的电磁感应矫正。针对不同的板厚、焊接参数，设定不同的电磁感应矫正移动速度，测量矫正前后的角变形。分析了不同影响因素对矫正角变形的影响规律，采用神经网络方法预测不同工艺参数产生的角变形。武汉理工大学向祖权等[28]研究了球扁钢肋骨纵向弯曲的火工矫正方法，通过全站仪测量肋骨和板材的线型，匹配后计算相应点的装配偏差，据此提出了肋骨火工矫正工艺参数的计算方法，并开发了相应的参数预报系统，指导现场肋骨变形的火工矫正。大连理工大学王铭侨[29]基于数值计算研究了T型材结构的电磁感应矫正，分析了T型板件的规格、空气间隙、加热时间等工艺参数对矫正效果的影响规律，为后续研究电磁感应矫正焊接变形提供参考。汪骥等[13-14]研究了典型板件和板架焊接的电磁感应矫正，针对平板对接焊和角焊两种典型的焊接形式，研究了不同焊接参数和板件尺寸下的变形规律和残余应力分布规律。将残余应力分布作为初始条件研究焊接后变形的电磁感应矫正。

5结语

为了实现水火弯板加工自动化和智能化，可借助机器学习等方法研究变形和工艺参数之间关系的模型，研究水火弯板工艺参数预报的智能算法，开发相应的自动化加工装备。高频感应加热需进一步研究数值计算模型，以适应船舶复杂曲板成形大规模的高效计算。为了解决特殊材料复杂曲板成形，需开展船舶复杂曲板激光成形研究，在船舶轻量化和舰船建造领域具有一定的应用前景。

作者:王顺 侯立勋 汪骥 刘玉君 单位:大连海事大学