電動法消除船體焊接結構凸起類局部變形

L.М.洛巴諾夫，N.А.巴辛，韓善果，О.L.米霍杜伊，王亞琴, Т.G.索洛米丘克

（1.廣州有色金屬研究院，廣東廣州510651；2.烏克蘭國家科學院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔03150）

電動法消除船體焊接結構凸起類局部變形

L.М.洛巴諾夫1，2，N.А.巴辛1，2，韓善果1，О.L.米霍杜伊1，2，王亞琴1, Т.G.索洛米丘克1，2

（1.廣州有色金屬研究院，廣東廣州510651；2.烏克蘭國家科學院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔03150）

凸起變形是船體焊接結構中常見的缺陷，相對于傳統變形校正法，電動加工處理法有諸多優勢。為了研究電動法對凸起類變形的影響，通過點狀處理法、環形處理法和螺旋處理法等三種電動法處理АМг6鋁合金和Ст3低碳鋼試樣。結果表明，點狀處理法能耗最小，環形處理法和螺旋處理法的效率近似，但后者能耗更低，且螺旋法降低凸起變形的效果最好。通過對比分析，電動法的能耗遠低于傳統方法，符合耗能最小標準。采用銅襯墊的電動處理可消除其對加工金屬結構表面的影響。

局部變形；凸起變形；低碳鋼；鋁合金；電動處理法

0 前言

縱向或橫向受力的船體骨架在焊接時，由于結構受熱不均，導致骨架間板失穩，在其相鄰區域交替產生凸起和凹陷類型的局部殘余變形，稱為凸起變形。凸起變形具有交替性，在板的兩面均會產生凹凸變形，對結構的工作效率、外觀和使用性能等造成不利影響，特別是凸起變形會降低船體的流體動力，在某些情況下甚至降低船速達10％[1]。薄板船體焊接結構凹凸變形更為明顯，有時超過允許值，因此降低凹凸變形極其重要，目前降低變形的主要方法為校正[2]。

在造船中，對凸起變形校正的普遍做法為動力加局部加熱法，但會伴隨有繁重的勞動、極大的噪音（120～140 dB）和結構振動，在某些情況下甚至會造成加工表面的破壞。校正主要是在船臺焊接的最后階段進行，如果該工序占用了大量工時，會導致整個工期的延長。采用熱校正法會造成混合氣體的浪費以及校正區熱量擴散，增加了工作環境的惡劣性。高熱導性的鋁合金采用熱校正的效果十分不明顯。機械拉伸法可有效消除凸起變形，但高定位精度、大結構尺寸及昂貴的設備等因素制約了其使用范圍。

綜上所述，開發能耗低及加工表面損傷小的凸起變形校正法十分緊迫。其中脈沖電磁場對結構加工法越來越受到青睞[3-6]，而電動加工法最具代表性。本研究通過使用電動加工法處理鋁合金和結構鋼焊接接頭，研究了電動處理法對降低凸起類局部變形的影響[7]。

1 試驗方法

在帶有搭接接頭的АМг6鋁合金和Ст3低碳鋼工件上，模擬了凸起變形彎曲值f（見圖1a）。該工件四周為4個肋板并通過角焊縫與中心薄板連接。薄板和肋板的尺寸如圖1b所示。在此研究了兩種尺寸（δ=2.0和4.0 mm）的АМг6鋁合金工件變形及一種尺寸（δ=2 mm）的Ст3鋼工件變形。在肋板方向的薄板彎曲值f用“+”號表示，在相反方向上用“-”號表示。在АМг6鋁合金（δ=4 mm）工件上既給出肋板方向的彎曲值，也給出偏離肋板方向的彎曲值。而在АМг6鋁合金和Ст3鋼（δ=2 mm）的工件上只確定肋板方向的彎曲值。

圖1 含“凸起”類型變形的焊接接頭示例

使用直徑為3.0 mm的填充焊絲，在電流為130 A、焊速為1.3 mm/s的氬氣保護環境下，通過手工TIG焊完成АМг6鋁合金試樣的角焊縫。焊接中采用不同的焊道覆蓋截面，確保了符合不同f值的凸起成型幾何特征。使用直徑為3.0 mm的焊條，當電流為120 A、焊速為1.5 mm/s時，通過手工焊完成Ст3鋼試樣的接頭。

根據電動作用下壓力脈沖參數[8]以及Follansbee和Sinclair的試驗數據[9]，與電極相接觸的外表面上的金屬受到徑向擠壓，因此電動處理法可以局部降低相近區域的凸起，且電動處理區域應為最大凸起處，作用方向為降低f值的方向。

采用配備有銅電極（見圖2）的平面感應器，在半球狀的斷面上完成電動加工處理，并使用電容儲能器作為脈沖發生器[6]。電動加工與電容儲能器存儲的能量Eк1一致，對于單次電動作用來說（n=1）能量不超過800 J。對于n次電動作用，儲存能量值E總可用式（1）來計算

電動作用的距離應在10（針對Ст3鋼）～30 mm（針對АМг6鋁合金）之間變化，以保證工件表面加工區在長度上的校正結果穩定。在厚度4 mm的АMr6鋁合金工件表面上使用了三種電動處理法：從中心到邊緣的點處理法、環形處理法和螺旋處理法。使用刨尺和卡尺測量了工件橫向截面的彎曲值f。

圖2 合金АМг6“凸起”工件的電動處理法（δ=2.0 mm）

2 試驗結果

2.1 點處理法對АМг6鋁合金凸起變形影響

在АМг6鋁合金薄板（δ=4 mm）中心共進行5次電動作用（n=5）完成點處理，薄板原始變形及每次點處理后的彎曲特征如圖3所示，其橫坐標為薄板上的點到角焊縫的垂直距離，縱坐標為彎曲f值。曲線1為原始凸起變形，其特征為在偏離肋板方向產生彎曲，最大彎曲值fmax=-5.0 mm。電動處理區對應的橫坐標x=110 mm，當n=1時，f=-4.0 mm，此時降低變形的效率最大（曲線2）；經過多次點處理，當n=5時，f值單調遞減到-2.0 mm（曲線5）。對于半球形壓頭（銅電極）與彈塑性介質的相互作用，可用非彈性物體正常接觸理論來解釋[9]，此時，沿著壓頭邊緣應有置換材料塑性流動的位置。在電動處理循環過程中；當n＞3時，在加工區該機械作用應體現金屬的置換，表現在圖3為在坐標x=75 mm和125 mm的凸起表面有局部變形；n=4～5時，電極接觸區的二次塑性流動在約束變形條件下發生，對表面的影響不太顯著，可從曲線4和曲線5的相似性中得出。文獻[10]表明，當n＞3，在電動處理循環過程中，顯著增加АМг6鋁合金的σ0.2值及凸起與電極的相互作用，導致在無顯著殘余變形的情況下轉入到彈性階段。這樣，即使對工件表面固定區域進行多次局部電動作用，f也很難降低到初始值的60％以下。根據局部變形標準OCT5.9079-72，可允許的f值應符合式（2），對于處理的工件來說允許的f值不能超過3.75 mm，因此點處理法不是電動處理法的有效方案

1—初始值；2—在n=1時電動處理后的f值；3—在n=2時的f值；4—在n=3時的f值；5—在n=4和5時的f值。圖3 АМг6鋁合金（δ=4mm）薄板中部進行電動處理后工件凸起變形

式中a為肋板之間的距離。

該方案的優勢在于變形所需的電容儲存能量E總最?。ㄅc其他方案相比），根據式（1），當n=5時E總不超過4 000 J。

2.2 環形處理法對АМг6鋁合金凸起變形的影響

在工件（見圖4a）表面上，通過對不同半徑R的同心圓區域進行電動處理，其中每個作用點進行三次沖擊，其原始形狀（曲線1）與圖3類似。R值分別取15 mm、50 mm和90 mm，而對于設定圓周的電動加工處理法來說，n和E總值（依據式（1））相應的為8、30、55和6.4×102J、2.4×104J、4.4×104J。

由圖4b可知，隨著R的增加，f值單調遞減，同時彎曲形狀從典型形狀逐步變化到波浪形。當n=1～3時，R=15 mm的f值（曲線2）及凸起的變化接近圖3所示，其原因為R值較?。划擱增加50 mm時（曲線3），中心區與薄板一致，彎曲形狀接近波浪形，彎曲值f最大處達1 mm；當R=90 mm時（曲線4），電動加工處理過程中的fmax值超過圖4b所示，因此在R值離散增長情況下，采用同心圓示意圖可完全消除局部變形，但會增加fmax值。

分析圖4b的數據可知，相對于R=15 mm和R= 90 mm，R=50 mm的薄板中心部分進行電動處理最有效。

2.3 螺旋處理法對АМг6鋁合金凸起變形的影響

前兩種處理法進一步發展完善為螺旋狀電動加工處理法（見圖5），采用工件中心到邊緣區（見圖5a）的可變半徑R的螺旋形狀來進行表面電動處理。此時在靠近肋板的方向初始凸起變形呈拋物線，而fmax值達到8 mm（見圖5b曲線1）。在R值增加到15 mm，50 mm和90 mm時，調節f值可與圖4所示的電動加工法環形示意圖進行對比。R值達到15 mm、50 mm和90 mm時，n值和電動加工法的E總值相應的為8，30，22和6.4×102J，2.4×104J，1.7×104J。

1—初始值；2—R=15 mm時電動處理后的f值；3—R=50 mm時電動處理后的f值；4—R=90 mm時電動處理后的f值。圖4 半徑R變化的情況下，環形法電動處理АМг6鋁合金工件

由圖5b可知，當R=15 mm時，凸起中心區的f值（曲線2）從8 mm降到5 mm；當R值增加到50 mm（曲線3）時，薄板f值伴隨著負半波幅值0～-2 mm，而正半波幅值0.5～3 mm的變化；當R增加到90 mm（曲線4）時，f值由非對稱的正弦曲線3轉變為對稱曲線，此時負半波振幅達2 mm，而正半波幅值被控制在0.5 mm以內。依據式（2），當肋板間距a=300 mm時，螺旋處理后的f值遠低于允許值。相對于R=15mm和R=90 mm，從降低f值角度和參考環形處理法，當R值增加到50 mm時，對薄板中心部分進行電動處理是最有效的。應當指出，在肋板（R=90 mm）的壓縮應力區采用電動加工處理會對凸起變形表面產生局部修正作用。

1—初始值；2—R=15 mm時電動處理后的f值；3—R=50 mm時電動處理后的f值；4—R=90 mm時電動處理后的f值。圖5 半徑R變化的情況下，螺旋法電動處理АМг6鋁合金工件

對比圖3、圖4、圖5可知，點處理法的效率和能耗是最小的，而環形和螺旋處理法在效率上是均等的，但后者所需的Eк值更小。因此，對于校正凹凸不平的局部變形來說最適宜的方法是螺旋狀電動加工處理法。

與圖5類似，采用螺旋處理法對АМг6（δ=2 mm）合金和Cт3（δ=2 mm）鋼工件進行電動處理。如果降低的fmax值接近圖5所示，相對于Eк值較高的Ст3鋼，δ=4 mm的АМг6鋁合金工件只需更小的Eк值。

3 分析與討論

不同電動加工處理法對彎曲初始值f0，殘余值f總影響的對比數據，以及整體加工后的相應∑Eк值見表1。在f0和f總數值的基礎上確定不同電動加工處理法示意圖下彎曲變化絕對值和單位能效∑Eк/Δf。

由表1可知，在同等加工面積下，電動加工處理法的∑Eк值明顯小于傳統校正法的∑Eк值，可證明電動加工處理法符合能效要求。此時АМг6鋁合金（δ=4 mm）點狀電動加工法效率最低，在最小輸入能∑Eк（第1行）下，可確保f0值降低到標準OCT 5.9079-72的要求。對于АМг6鋁合金（δ=2 mm）來說，單位彎曲的能耗值在螺旋加工處理法下的（第4行）∑Ек/Δf約等于點動加工處理法下δ=4 mm（第1行）的∑Eк/Δf值。

表1 合金АМг6和鋼Ст3不同校正法下彎曲f0、f總和能量ΣЕк值

對比АМг6（δ=4mm）合金電動加工法環形示意圖（第2行）和螺旋形示意圖（第3行）的∑Eк/Δf可知，在同等工作效率下后者的能耗量約為前者的1/2。就儲能水平來說，δ=2 mm的Ст3鋼電動處理法耗能最大（第5行），∑Eк和∑Eк/Δf值高出同等厚度下АМг6鋁合金的4倍（第4行），而∑Eк/Δf值與δ=4 mm的АМг6鋁合金環形處理法接近。

電脈動作用對結構材料的結構起到了積極影響[6]，但在局部電動作用區形成了深度小于0.3 mm的半球形小坑，其在某些情況下會影響船體使用性能。基于上述原因，優化電動處理法工藝旨在降低相互接觸作用區的表面深度，在電極和加工金屬間采用M1工藝銅襯墊的基礎上研究了降低小坑深度到最小化的方法。

圖6為在脈沖能Eк=800 J，通過厚度0.5 mm的銅襯墊電動處理鋼Ст3后的結構局部圖。在電動處理區形成了深0.1 mm的小坑（見圖6а），在其表面未發現金屬結構的改變。研究電動處理區小坑中心的金屬顯微結構（見圖6b）結果表明其與母材金屬的鐵素體-珠光體組織相似。

圖6 厚度為0.5mm的М1銅襯墊、電動處理后的Ст3鋼結構

圖7 厚度為0.5 mm的銅襯墊、電動處理АМг6鋁合金后的結構

使用厚度為0.5mm的銅襯墊（見圖7），對鋁合金АМг6電動加工處理后，在金屬表面形成深度小于0.3 mm的小坑（見圖7a），其表面結構未發生變化。電動處理后的金屬顯微結構為α+β（Mg5Al8）+Mg2Si。

對比圖6、圖7可知，采用銅襯墊能夠完全消除電動加工法對加工材料表面結構的影響，使坑深減小到最低限度。因此對于電動加工工藝可推薦使用工藝襯墊來降低處理過程中對焊接船體表面的損壞。

4 結論

（1）通過對比點狀電動加工法、環形電動加工法和螺旋電動加工法發現，點狀電動加工法效率最低、能耗最?。画h形和螺旋狀電動加工法在效率上一致，但后者所需能耗更低。對于校正凸起類局部變形最合理的方法是螺旋電動處理法。

（2）與熱校正及預熱沖擊校正法等傳統校正方法相比，電動加工處理法能耗大幅度降低。

（3）在電動加工處理法下采用牌號М1的銅工藝襯墊可從實質上排除電動作用對加工金屬結構表面的影響。

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Research on electrodynamic processing to eliminate the local convex deformation of welded hull structure

Lobanov L M1，2，Pashchin N A1，2，HAN Shanguo1，Mihoduy O L1，2，Solomiychuk T G1，2，WANG Yaqin1
（1.Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals，Guangzhou 516050，China；2.E.O.Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine，Kiev 03150，Ukraine）

Convex deformation is common defect in welded hull structures，comparing with the traditional distortion correction methods，electrodynamic processing has many advantages.In this paper，АМг6 aluminum alloy and Ст3 low carbon steel samples are deals with by electrodynamic processing，which includes dot treatment，ring treatment and spiral approach.The results show：dot treatment consumes the least energy;the ring treatment and the spiral approach have similar efficiency，but the latter consumes less energy and reduces convex deformation more effectively.Through comparative analysis，the energy consumption of electrodynamic processing is much lower than traditional methods，in line with the minimum energy consumption.The electrodynamic processing with copper pad can eliminate the processing effects on metal structure surface.

local deformation；convex deformation；Low carbon steel；aluminum alloy；electrodynamic processing

TG431

A

1001-2303（2015）08-0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.01

2015-03-08；

2015-04-10

鋁合金特種船舶高效焊接裝備與關鍵技術研究項目（2013DFR70160）；激光與等離子先進制造技術創新團隊資助項目（201101C0104901263）

L.M.拉巴諾夫（1940—），工學博士，教授，主要從事焊接結構的研究工作。