電磁感應(yīng)加熱矯平工藝在船用薄板中的應(yīng)用

馮敏超,孫建志,蔣林勇

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

造船行業(yè)一般將6 mm及以下厚度的鋼板定義為薄板。薄板建造是一項復(fù)雜的工藝流程，從設(shè)計、板材的下料、拼板焊接、翻身，以及吊運擺放等多個方面都要綜合考慮，優(yōu)先考慮減少鋼板的熱輸入，以減少薄板建造的變形。但是，薄板變形無法完全消除焊接構(gòu)件中存在殘留變形的情況需要采取一定的措施以減少或消除這樣的變形，從而將構(gòu)件恢復(fù)到所需的幾何形狀，降低敷料鋪設(shè)厚度，控制整船重量。

1 薄板矯平階段

國外船廠在薄板總段變形矯正中多采用電磁感應(yīng)加熱矯平。待薄板分段總組焊后，在外板有約束情況下開始從底層往上逐層矯平，且同一層從中間往兩邊對稱矯平，合攏口區(qū)域移至搭載焊后再矯平，見圖1。

圖1 總段矯平順序

每一層矯平報驗合格后可進行舾裝安裝，同步進行提升施工效率。國內(nèi)部分船廠在總段階段矯平，部分船廠在分段矯平，總組局部修正。由于薄板的特性，不能夠多次進行加熱施工，基本上2次內(nèi)效果明顯，超過2次后會產(chǎn)生塑形變形，無法達到矯平效果，甚至產(chǎn)生局部換板。另外考慮薄板分段結(jié)構(gòu)弱，在運輸、擺放、翻身和總段焊接都會產(chǎn)生新的變形，因此，確定薄板在總組階段矯平。

2 薄板建造過程控制

船體總裝過程中，控制薄板變形的核心還是在分段，部件、型鋼等精度要在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)減少內(nèi)應(yīng)力，通過工藝方法減少分段變形，提高總組矯平效率[1]。薄板變形控制措施如下。

1)選擇產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的鋼廠，從源頭有效降低薄板建造中產(chǎn)生的變形。

2)在車間建造薄板，避免大雨期間因雨滴落到構(gòu)件上而引起焊接質(zhì)量差，造成額外的熱量輸入，引起相應(yīng)的變形。

3)預(yù)處理階段，調(diào)整流水線輥道、拋丸及油漆泵壓等主要參數(shù)，使沖砂速度提升，減少沖砂力量對薄板的作用，防止變形。

4)厚度9 mm以下的主板，下料前后需要二次矯平釋放內(nèi)應(yīng)力，再用樣板檢驗，保證平整度。

5)拼板階段，為了保證拼板平直度，可采用壓鐵或厚鋼板在焊縫的兩邊進行剛性固定；即在板縫兩側(cè)加壓鐵，在保證正常操作情況下距離越小越好，板的周邊應(yīng)采用小碼板壓緊在平臺上，距離300 mm或者使用壓力架。

6)拼板翻身為防止翻身變形，主板翻身前應(yīng)在焊縫上貼馬板(馬板厚度同主板)當(dāng)作翻身加強，在主板上口距離板邊200 mm位置設(shè)置20#槽鋼，槽鋼與主板焊接長度50 mm，間距300 mm，并在主板上口使用翻身吊排。

7)采用激光復(fù)合焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以用于鋼板對接焊接，也可以用于型材與鋼板的角焊縫焊接，可有效較少薄板焊接變形。

8)遵守焊接工藝規(guī)程(WPS)中設(shè)定的焊接參數(shù)，這是必須采取的最佳預(yù)防措施之一。

9)有可能的情況下，優(yōu)先采用間斷焊接或單面角焊縫焊接的方式，特別是連接甲板縱向常規(guī)加強構(gòu)件時(如：球扁鋼)。

10)減少端部余量加放可減少加熱次數(shù)和加熱量，有效控制裝配過程薄板的變形。

11)對臨時支撐的焊接和拆除引起的變形，可考慮機械工裝。

12)分段階段背燒，消除焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[2]。

13)進行持續(xù)的精度檢查，以保證產(chǎn)品在幾何形狀方面和尺寸方面都保持正確，從而確保零件之間實現(xiàn)最佳的配合。

14)合理存放加工好的零部件，避免沉降或堆積；采用貨架和托盤減少運輸變形；使用翻身裝置是唯一有效預(yù)防薄板翻身變形的辦法。

15)使用內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備從預(yù)處理、機械矯直、拼板、主板翻身、T-BEAM/型鋼、背燒、分段建造、運輸、翻身、吊運和總組轎平等各階段進行內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測，對消除內(nèi)應(yīng)力工藝方法進行驗證和優(yōu)化，以控制薄板的內(nèi)應(yīng)力。

3 薄板矯平工藝

3.1 薄板火工矯平

在熱矯平施工中，最常用的方法是使用氧乙炔炬，該方法具有設(shè)備簡單便攜的優(yōu)點[3]?；鸸こC平的過程是把鋼板一側(cè)加熱，而另一側(cè)還是冷的，熱面冷卻時產(chǎn)生的張力把鋼板拉直。然而當(dāng)加熱6 mm及以下厚度薄板時，熱量很容易傳遞到鋼板內(nèi)。這時，加熱區(qū)域內(nèi)的筋板也容易被加熱，堅硬的筋板就會產(chǎn)生熱變形。這樣一來把鋼板加熱到目標(biāo)溫度就需要更長的時間、燃燒更多氣體。大量的熱散失到周圍環(huán)境中，將引起多方面的不利后果。如在構(gòu)件的背面，可能有敏感的舾裝元件，如電纜或片段，這些舾裝元件可能會被損壞，或由于接觸到強烈的熱量輸入而被燒毀。而另一方面，還有可能導(dǎo)致健康和安全問題。由于使用了可燃混合物，在底漆燃燒的過程中，會釋放出燃燒煙氣，其中的底漆是在原料車間涂敷的材料，或是更高級的完工階段在元件上涂敷的油漆/涂層。此外，還應(yīng)考慮與明火作業(yè)有關(guān)的火災(zāi)風(fēng)險。特別是噴水冷卻時，冷卻處很有可能在鋼板內(nèi)部產(chǎn)生硬化晶相組織。因此，火工矯平必須在嚴(yán)格的監(jiān)督下進行[4]。

3.2 電磁感應(yīng)加熱矯平

電磁感應(yīng)加熱是通過感應(yīng)電流作用于鋼板，以達到對某一集中區(qū)域的快速穿透加熱,釋放應(yīng)力，待所加熱區(qū)域冷卻時，周圍材料均勻收縮，使鋼板永久矯平無反彈。其工作原理是基于寄生電流產(chǎn)生的熱量，而寄生電流是由電磁場的作用在金屬材料中產(chǎn)生的。其有效性的標(biāo)準(zhǔn)是基于對收縮的有效控制，這種加熱方式，加熱更加局限在有限的局部區(qū)域內(nèi)，對溫度的控制也更加精確。

電磁感應(yīng)加熱主要用于總段和搭載階段甲板面和圍壁的應(yīng)力釋放工作。釋放結(jié)構(gòu)應(yīng)力非常重要。一方面，可以在整體上改善表面平整度變形情況，減少火工作業(yè)量；另一方面，可減少在矯平作業(yè)完成后的一段時間后，無規(guī)律出現(xiàn)的變形情況；同時殘余應(yīng)力釋放后，圍壁的平整度情況會有很大的改善。改善表面平整度變形狀態(tài)，減少火工作業(yè)量。

根據(jù)圖2設(shè)置表面不同鋼板厚度加熱和深透加熱時到達到居里溫度值(大約740 ℃)的加熱時間，深透加熱反面帶結(jié)構(gòu)的主板需要額外大約1.5 s。一般厚度4 mm鋼板大約4 s的時間內(nèi)可以使磁性鋼達到740 ℃，實現(xiàn)對鋼板瞬間穿透，消除焊接應(yīng)力矯平[5]。

圖2 感應(yīng)加熱曲線設(shè)定

3.3 電磁感應(yīng)加熱矯平與火工矯平不同點

加熱區(qū)域的熱傳導(dǎo)方式不同，產(chǎn)生的應(yīng)力消除原理不同。電磁感應(yīng)加熱，熱傳導(dǎo)是在板厚方向以渦流點為中心向鋼板兩側(cè)傳導(dǎo)，對于薄板近似沒有時間差。因此，加熱區(qū)域產(chǎn)生短時間的均勻膨脹應(yīng)變與殘余應(yīng)力實現(xiàn)消除。而火工作業(yè)熱傳導(dǎo)是從板厚的一邊向另一邊傳導(dǎo)，時間上有一定的滯后，加熱、冷卻、水冷過程產(chǎn)生規(guī)律但不相等的膨脹應(yīng)變，通過這樣的差異性進行變形的調(diào)整，殘余應(yīng)力也可以在這一過程中釋放。見圖3。

圖3 熱傳導(dǎo)滲透示意

電磁感應(yīng)加熱和火工作業(yè)這兩種變形矯正方式方法，因其熱傳導(dǎo)的原理不同，產(chǎn)生直接效果不同，所以電磁感應(yīng)加熱不能取代火工作業(yè)。

從實踐中，電磁感應(yīng)加熱釋放結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力效果較好，隨著鋼板內(nèi)殘余應(yīng)力的釋放，維持殘余應(yīng)力的塑性變形逐步消失，從而實現(xiàn)整體改善。通常7 mm以下的普通鋼，走1遍，高強鋼需要走2遍，完成后，還剩10%～20%的變形量，再進行火工調(diào)整，效率明顯提升。

電磁感應(yīng)矯平機釋放結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力效果較好，隨著鋼板內(nèi)殘余應(yīng)力的釋放，維持殘余應(yīng)力的塑性變形逐步消失，從而實現(xiàn)整體改善。

4 典型薄板矯平實驗

典型薄板總段焊后分別使用火工和電磁感應(yīng)加熱設(shè)備進行矯平試驗。在典型薄板總段上進行火工矯平實驗，硬檔500 ℃表面實測400 ℃，矯平面積200 m2，1人施工共用30 h，火工前平整度(±4～±20) mm,火工后恢復(fù)到0～5 mm占38%；6～10 mm占50%；10 mm以上12%。按平整度±6 mm標(biāo)準(zhǔn),矯平前整體平整度合格率為42%,矯平后整體平整度合格率84%,火工效率6.6 m2/h。雖然能達到電磁感應(yīng)加熱的效果，但工作效率低，同時火工需要用水冷卻，導(dǎo)致大面積的油漆破壞，并且在后續(xù)實船交叉作業(yè)環(huán)境下影響其他工種作業(yè)，存在導(dǎo)電觸電的安全隱患。另外火工對人員操作技能要求高，較難形成可操作性的工藝。

在典型薄板總段上進行電磁轎平實驗，甲板平整度(±4～±20) mm采用圖4矯平順序。

圖4 電磁矯平順序

在矯平前調(diào)試驗證下所設(shè)置的矯平時間能否穿透鋼板，根據(jù)鋼板厚度確定，根據(jù)圖2感應(yīng)加熱曲線，原則上矯平時間根據(jù)鋼板厚度確定，如厚度為5.5 mm的鋼板，加熱時間是5.5 s。，在調(diào)試時應(yīng)驗證所設(shè)置的加熱時間能否穿透鋼板，因此最終時間以鋼板穿透為準(zhǔn)。電磁矯平前甲板面劃出結(jié)構(gòu)線，用于電磁矯平設(shè)備對位，見圖5。

圖5 矯平前的劃線準(zhǔn)備

通過典型薄板總段實驗電磁感應(yīng)加熱矯平386 m2使用24 h，平整度由45%提升至91%,合格率91%,每1 h可矯平16 m2。

實驗證明電磁感應(yīng)加熱相對火工加熱效率更高，對9 mm以下變形可實現(xiàn)一次矯平，操作簡單，對人工技能要求低，可形成規(guī)范作業(yè)，容易形成規(guī)范化的操作工藝，便于過程管理。在薄板存在不規(guī)則變形情況下，一般常規(guī)的電磁感應(yīng)加熱操作方案對于沒火工經(jīng)驗操作者可解決80%以上變形問題，剩余20%的變形量，在第一次矯平鋼板冷卻后可直接使用火工局部矯平，這樣兩種方式結(jié)合使用效率更高。

5 結(jié)論

1)電磁矯平應(yīng)在四周有結(jié)構(gòu)約束情況下施工，過程中不能中斷，必須延伸至圍壁結(jié)構(gòu)。

2)電磁矯平適合整體矯平、不適合局部矯平，局部可使用火工代替。

3)無結(jié)構(gòu)約束的自由邊不建議采用電磁矯平，操作不當(dāng)會加重變形。

4)大開口分段內(nèi)部強結(jié)構(gòu)少，建議在板邊增加槽鋼加強，防止矯平主板收縮導(dǎo)致背面結(jié)構(gòu)上翹。

5)結(jié)構(gòu)中最大的應(yīng)力在突出部分最小的區(qū)域，如結(jié)構(gòu)硬檔。因此，通常優(yōu)先從突出部分最小的區(qū)域開始，矯直非常有效。

6)在散熱慢的環(huán)境下矯平，效果更顯著，冬季可兩臺設(shè)備同時矯平，效果更顯著。

7)如鋼板變形較大，加熱位置可尋找凹凸過度的位置矯平。

8)整體矯平后需等到鋼板完全冷卻后測量平整度最準(zhǔn)確，一般10 ℃及以下鋼板冷卻5 h以上，11～25 ℃鋼板冷卻7 h以上，25 ℃以上鋼板冷卻8 h以上。