電磁感應加熱矯平工藝在船用薄板中的應用

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。薄板建造是一項復雜的工藝流程，從設計、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，從而將構件恢復到所需的幾何形狀，降低敷料鋪設厚度，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次內效果明顯，超過2次后會產生塑形變形，無法達到矯平效果，甚至產生局部換板。另外考慮薄板分段結構弱，在運輸、擺放、翻身和總段焊接都會產生新的變形，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、型鋼等精度要在標準內減少內應力，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)選擇產品優質的鋼廠，從源頭有效降低薄板建造中產生的變形。

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

3)預處理階段，調整流水線輥道、拋丸及油漆泵壓等主要參數，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應力，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；即在板縫兩側加壓鐵，在保證正常操作情況下距離越小越好，板的周邊應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，主板翻身前應在焊縫上貼馬板(馬板厚度同主板)當作翻身加強，在主板上口距離板邊200 mm位置設置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)采用激光復合焊接系統，該系統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)遵守焊接工藝規程(WPS)中設定的焊接參數，這是必須采取的最佳預防措施之一。

9)有可能的情況下，優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加強構件時(如：球扁鋼)。

10)減少端部余量加放可減少加熱次數和加熱量，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，消除焊接時產生的殘余應力[2]。

13)進行持續的精度檢查，以保證產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防薄板翻身變形的辦法。

15)使用內應力監測設備從預處理、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應力監測，對消除內應力工藝方法進行驗證和優化，以控制薄板的內應力。

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，該方法具有設備簡單便攜的優點[3]。火工矯平的過程是把鋼板一側加熱，而另一側還是冷的，熱面冷卻時產生的張力把鋼板拉直。然而當加熱6 mm及以下厚度薄板時，熱量很容易傳遞到鋼板內。這時，加熱區域內的筋板也容易被加熱，堅硬的筋板就會產生熱變形。這樣一來把鋼板加熱到目標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境中，將引起多方面的不利后果。如在構件的背面，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，還應考慮與明火作業有關的火災風險。特別是噴水冷卻時，冷卻處很有可能在鋼板內部產生硬化晶相組織。因此，火工矯平必須在嚴格的監督下進行[4]。

3.2 電磁感應加熱矯平

電磁感應加熱是通過感應電流作用于鋼板，以達到對某一集中區域的快速穿透加熱,釋放應力，待所加熱區域冷卻時，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生的熱量，而寄生電流是由電磁場的作用在金屬材料中產生的。其有效性的標準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域內，對溫度的控制也更加精確。

電磁感應加熱主要用于總段和搭載階段甲板面和圍壁的應力釋放工作。釋放結構應力非常重要。一方面，可以在整體上改善表面平整度變形情況，減少火工作業量；另一方面，可減少在矯平作業完成后的一段時間后，無規律出現的變形情況；同時殘余應力釋放后，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，減少火工作業量。

根據圖2設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，深透加熱反面帶結構的主板需要額外大約1.5 s。一般厚度4 mm鋼板大約4 s的時間內可以使磁性鋼達到740 ℃，實現對鋼板瞬間穿透，消除焊接應力矯平[5]。

圖2 感應加熱曲線設定

3.3 電磁感應加熱矯平與火工矯平不同點

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

圖3 熱傳導滲透示意

電磁感應加熱和火工作業這兩種變形矯正方式方法，因其熱傳導的原理不同，產生直接效果不同，所以電磁感應加熱不能取代火工作業。

從實踐中，電磁感應加熱釋放結構殘余應力效果較好，隨著鋼板內殘余應力的釋放，維持殘余應力的塑性變形逐步消失，從而實現整體改善。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，再進行火工調整，效率明顯提升。

電磁感應矯平機釋放結構殘余應力效果較好，隨著鋼板內殘余應力的釋放，維持殘余應力的塑性變形逐步消失，從而實現整體改善。

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加熱設備進行矯平試驗。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,火工后恢復到0～5 mm占38%；6～10 mm占50%；10 mm以上12%。按平整度±6 mm標準,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加熱的效果，但工作效率低，同時火工需要用水冷卻，導致大面積的油漆破壞，并且在后續實船交叉作業環境下影響其他工種作業，存在導電觸電的安全隱患。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

在矯平前調試驗證下所設置的矯平時間能否穿透鋼板，根據鋼板厚度確定，根據圖2感應加熱曲線，原則上矯平時間根據鋼板厚度確定，如厚度為5.5 mm的鋼板，加熱時間是5.5 s。，在調試時應驗證所設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。電磁矯平前甲板面劃出結構線，用于電磁矯平設備對位，見圖5。

圖5 矯平前的劃線準備

通過典型薄板總段實驗電磁感應加熱矯平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。

實驗證明電磁感應加熱相對火工加熱效率更高，對9 mm以下變形可實現一次矯平，操作簡單，對人工技能要求低，可形成規范作業，容易形成規范化的操作工藝，便于過程管理。在薄板存在不規則變形情況下，一般常規的電磁感應加熱操作方案對于沒火工經驗操作者可解決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，這樣兩種方式結合使用效率更高。

5 結論

1)電磁矯平應在四周有結構約束情況下施工，過程中不能中斷，必須延伸至圍壁結構。

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)無結構約束的自由邊不建議采用電磁矯平，操作不當會加重變形。

4)大開口分段內部強結構少，建議在板邊增加槽鋼加強，防止矯平主板收縮導致背面結構上翹。

5)結構中最大的應力在突出部分最小的區域，如結構硬檔。因此，通常優先從突出部分最小的區域開始，矯直非常有效。

6)在散熱慢的環境下矯平，效果更顯著，冬季可兩臺設備同時矯平，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。