電磁感應預熱設備在船舶焊接的應用

馮朝聞+於嘉棟+賈華平+莊利忠

摘要：焊接是船舶工業(yè)領域最重要的工序之一，在大型集裝箱船、散貨船中由于高強鋼及一些特種鋼材的使用，使得各大船級社對于焊接工藝的要求更加嚴苛，很多厚板對焊接預熱的需求更加急迫。現(xiàn)在國內(nèi)造船自動化水平較低，大部分船廠還在采用傳統(tǒng)的陶瓷片加熱方式進行焊接預熱。文章對電磁感應預熱設備在船舶焊接的應用進行了探討。

關鍵詞：電磁感應預熱設備；船舶焊接；船舶工業(yè)；集裝箱；散貨船；焊接工藝 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG445 文章編號：1009-2374（2017）06-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.031

在船舶工業(yè)領域，由于高強鋼及一些特種鋼材的使用，使得各大船級社對于焊接工藝的要求更加苛刻。在大型集裝箱船、散貨船中，很多鋼材的厚度達到50mm以上，這對焊接預熱的需求更加急迫。據(jù)統(tǒng)計，我國造船完工量在2500萬載重噸左右，大約占全球30%，對于焊接預熱的服務需求相當大?，F(xiàn)在國內(nèi)由于造船自動化水平較低，大部分船廠還在采用傳統(tǒng)的陶瓷片加熱方式進行焊接預熱。按照每萬載重噸需要花費在焊接預熱上的費用為200萬元計算，焊接預熱及焊后熱處理的市場規(guī)模大約在50億左右，而實際需求遠遠大于此。

近年來受國際金融危機的深層次影響，國際航運市場持續(xù)低迷，新增造船訂單嚴重不足，新船成交價格不斷走低，產(chǎn)能過剩矛盾加劇，我國船舶工業(yè)發(fā)展面臨前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。在中國船舶業(yè)加快產(chǎn)業(yè)升級、淘汰落后產(chǎn)能的政策背景下，各大船廠都在進行新技術的開發(fā)與應用。市場上出現(xiàn)的一款采用更先進的電磁感應加熱方式，較之傳統(tǒng)的電加熱模式有了極大的改變，大大提升了工作效率。在產(chǎn)業(yè)升級的大背景下，電磁感應加熱逐步取代傳統(tǒng)陶瓷片的加熱形式，符合當前節(jié)能增效的要求，對我國早日實現(xiàn)現(xiàn)代化造船有積極的貢獻。

1 電磁感應加熱原理

高速變化的高頻高壓電流流過線圈會產(chǎn)生高速變化的交變磁場，當用含鐵質(zhì)容器放置在上面時，容器表面即具切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無規(guī)則運動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱物品的效果。即是通過把電能轉(zhuǎn)化為磁能，使被加熱鋼體表面產(chǎn)生感應渦流的一種加熱方式。電磁感應加熱相對于熱輻射或熱傳遞等傳統(tǒng)的加熱方式有熱效率高、加熱速度快、安全、節(jié)能等優(yōu)勢，在工業(yè)領域主要有管道焊接熱處理、電磁造粒機、塑料封口機等，在民用領域中主要有電磁爐等。

2 可行性分析

20世紀80年代，陶瓷熱電片作為取代火焰預熱的新型加熱技術被運用到船舶焊接領域。其主要特點是采用電流通過電阻絲發(fā)熱原理使附著在電阻絲上的陶瓷片發(fā)熱，通過熱傳遞的方式使被加熱鋼板發(fā)熱。與火焰加熱相比，其加熱區(qū)域更大，溫度更加均勻。

但由于陶瓷加熱片本身原理上的原因，它的缺點也較為明顯：（1）陶瓷加熱片采用熱輻射原理進行傳熱，其大量熱能耗散在空氣中，能量利用率不高；（2）陶瓷加熱片由于本身發(fā)熱，在施工時其自身溫度也非常高，例如要將30mm厚鋼板加熱到120℃，其自身溫度一般會達到200℃以上，這對現(xiàn)場施工環(huán)境會造成比較惡劣的影響，并且對施工人員本身的安全造成了隱患；（3）陶瓷加熱片主機體積和重量較大，搬運十分不便，在一些場地受限的施工位置，還是只能使用火焰加熱；（4）陶瓷加熱片由于采用陶瓷制造，其本身重量也相當大，一片重量大約在20公斤，在船舶建造中經(jīng)常會遇到高空作業(yè)，攜帶如此重量的加熱片進行工作時，會產(chǎn)生很大的安全隱患；（5）陶瓷片對場地用電要求較高，一般需要采用75平方電纜單獨走線，不能充分利用場地本身的配電設施，造成成本浪費。

而電磁感應加熱設備，克服陶瓷加熱片的這些缺點，采用一種新的加熱模式，且加熱片采取了柔性設計，其具有相當明顯的優(yōu)勢：（1）電磁加熱裝置擁有傳統(tǒng)加熱設備幾乎所有的功能：溫度設定，時間設定。進行焊前預熱，焊后消氫，焊后熱處理等，并能有效地控制加熱、緩冷速率；（2）電磁加熱裝置加熱速率更快，更高效，陶瓷加熱是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過熱傳導給鋼板，能量的損耗相當大，而電磁加熱方式是直接產(chǎn)生電磁感應并作用于鋼板，能量損耗極小，使得加熱速度更快，用電消耗更小。電磁加熱裝置的功率是30kW，傳統(tǒng)溫控箱為240kW。相同條件下，50mm鋼板預熱至120℃，傳統(tǒng)陶瓷加熱需約40min，電磁加熱僅需4min，而在預熱更厚的板材時，傳統(tǒng)加熱的預熱時間往往在4h左右，電磁預熱時間在1h左右，大大減少了現(xiàn)場“等工”的現(xiàn)象，提高了“凈工作時間”比例；（3）設備更小，更輕盈。傳統(tǒng)溫控箱的搬運往往需要叉車或吊機的配合，而電磁加熱裝置只需1～2人即可，攜帶方便，節(jié)省工時；（4）加熱模塊。傳統(tǒng)溫控箱使用的是陶瓷加熱片（帶），電磁加熱裝置為加熱模塊（類似電熱毯）。加熱模塊以柔性模塊為主，可根據(jù)加熱部位的不同選擇適合的模塊進行處理，模塊貼合性更好，可以適用于船廠任何位置任何工況的加熱。且模塊輕便易拿，不易損壞，模塊本身不發(fā)熱，不會發(fā)生由于操作工人疏忽導致的燙傷事故，其適用性和安全性比傳統(tǒng)加熱要高出很多；（5）電磁加熱對焊接并無影響（如磁偏吹），目前也并未檢測到電磁加熱對母材本體或焊接質(zhì)量的不良

影響。

3 使用情況

電磁感應加熱設備，以其極大的優(yōu)勢，廣泛應用于船舶制造過程中厚板焊接的預熱。其廣泛適用于各種厚板焊接的加熱：厚板埋弧對接焊、復雜結(jié)構(gòu)的加熱、鑄鋼件焊接加熱、船臺合攏加熱、海洋平臺樁腿結(jié)構(gòu)加熱。電磁感應加熱器采用了柔性加熱片的設計，適用于各種焊接位置的加熱。其加熱效率和加熱的均勻性都是傳統(tǒng)電加熱無法比擬的。電磁感應加熱設備從本身體積重量、操作難易程度、布線環(huán)境、加熱效率、能源消耗等方面，相比較傳統(tǒng)的電加熱設備都有極大的改善，對工人來講有其推廣的優(yōu)勢，使其能順利地在生產(chǎn)現(xiàn)場推廣。

以某萬箱集裝箱船為例，全船需要加熱的焊縫長度約為25000米，采用傳統(tǒng)的電加熱時，需要專門組織加熱班組，加熱過程中還存在等工、誤工的情況，加熱效率低、能耗大，工人操作和施工環(huán)境都比較差，還經(jīng)常存在加熱不均勻和不便加熱的情況。而采用電磁感應加熱以后，提高了加熱效率，降低了能耗，改善了工人的操作和施工環(huán)境，相應地提高了船舶制造的效率。據(jù)初步統(tǒng)計，每船節(jié)約15000工時以上，節(jié)約電能50萬元以上，極大地降低了管理成本，提高了造船效率。

4 結(jié)語

電磁感應焊接熱處理器經(jīng)過了不斷改進，目前在幾家船廠和其他海工制造企業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)得到了實用驗證，推廣力度不斷增強。而且隨著未來船舶市場對鋼材的要求越來越高，止裂鋼等對溫度要求嚴格的品種會日益發(fā)展，傳統(tǒng)的電加熱模式將制約行業(yè)的發(fā)展，電磁感應焊接熱處理器必將占領未來市場。電磁感應加熱設備對于船舶建造的焊接作業(yè)帶來了極大的便利，而隨著其應用范圍的不斷擴大和技術的飛速發(fā)展，電磁加熱技術必將輻射其他行業(yè)，開拓一個厚板焊接預熱的新

時代。

參考文獻

[1] 王生德.MOSFET高頻感應電加熱電源的研究[J].鄭州大學學報，2001，33（3）.

[2] 斯重遙，等.焊接手冊（第二卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3] 陳家本.船舶焊接技術現(xiàn)狀與展望[J].電焊機，2004，（2）.

作者簡介：馮朝聞（1985-），男，金海重工股份有限公司工程師，研究方向：船舶與海洋工程類焊接工藝；於嘉棟（1992-），男，金海重工股份有限公司助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程類焊接工藝；賈華平（1959-），男，金海重工股份有限公司高級焊接專家，高級工程師；莊利忠（1962-），男，金海重工股份有限公司高級焊接專家，高級工程師。

（責任編輯：黃銀芳）