沪东中华造船(集团)有限公司 上海 200129
摘要：现阶段，对于船体外板水火加工工艺技术研究方向主要在扰度相对较小的大型曲面钢板上，其中包括船体中部、艏艉部等大部分外板。基于此，在本文中从船舶艏艉大曲面线型钢板的应用出发，分析在水火加工工艺的技术特点、温度控制及水浇冷在水火加工技术中的应用，以期为船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工技术的研究提供帮助。
关键词：船舶艏艉；线型钢板；水火加工技术
引言：由于船舶艏艉部钢板具有扰度小、面积大的特点，在布置加热线时的间距相对较大，因此在水火加工技术上需要考虑的因素和变形规律较为复杂。大部分船舶的表面是由复杂不可展的空间曲面构成，目前，在加工钢板时一般采用线状水火加工工艺（即水火弯板），通过对钢板采用乙炔焰加热至红热状态后采用浇水迅速冷却，最终形成需要的三维曲面。
一、船舶艏艉板水火加工应用与发展
船舶艏艉板就是在船舶艏部和船舶艉部厚度较大的形状不规则钢板，并且曲率相对较为复杂的船体外板。一般情况下板长在1000mm至3000mm之间，板厚一般在18mm至30mm之间，曲率半径在2000mm以内。长度与厚度比值在33至150之间，曲率半径与厚度比值在33至100之间。想要将一张钢板加工至符合以上要求的船体外板需要采用水火加工工艺，利用热源对钢板进行局部加热，根据其热胀冷缩的原理使钢板发生塑性变形，最终实现弯曲成型的效果。其优势在于能够实现其他机械无法完成的三维形状。
随着我国造船技术的不断发展，曲板热冷加工成型技术也逐渐成熟，对于一些扰度较小、面积较大布置加热线间距比较密集，取得了一些能够达到工程应用水平的成果。在加工过程中影响钢板局部变形的因素非常多，例如加热线长度、火焰移动速度、冷却方法、钢板材质及热源变化等，因此大曲面线型钢板水火加工对技术要求非常高、难度比较大[1]。
二、船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工工艺分析
（一）船舶艏艉水火加工的技术特点
在对钢材实施水火弯曲与矫正过程中，一般采用线状条形加热法。此加热方就是将局部点加热相连，因为在加工过程会对钢材进行连续加热，造成钢材加热温度方式发生变化，所以线状加热法具有其自身的特点。而在实施冷却过程中一般采用以下冷却方法：正面水冷（适用于收边加热方法，优势在于横向收缩较大，角变形小）、背面水冷（适用于高效的火焰成型方法，优势在于横向收缩和角变形较大）以及空冷（成型效果影响不大）等。
水火加工工艺的具体流程包括以下几点:首先，需要对曲面板进行整体观察，估算出钢材各部分所需的收缩量；其次，需要考虑如何布置加热线，确定好其他工艺参数，加工时按照具体变形情况对工艺参数进行修改；最后对于曲面较为复杂的工件需要反复思考调整后加工完成[2]。
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（二）船舶艏艉水火加工温度范围分析
在对工件进行加热时，局部加热温度越高，则热影响区就越大，曲线包含的热变形体积越大，并且工件永久残余变形量也会越大，从而水火热弯曲效率也就更为显著。以下将钢材所处温度及性能进行分析：
第一，当温度高达700℃时，工件的屈服强度为1.96l×107Pa，在实际水火弯曲中想要达到这么小的应力很容易就可以做到，因为此时工件已经几乎处于全塑性状态；第二，当温度超过700℃时，工件的塑性变量会发生变化，而弹性变量几乎为零。而在对工件进行冷却时，当温度下降至700℃时，工件仍然处于全塑性状态，虽然塑性值有所减少，但仍不能产生压缩应力的效果；第三，当工件温度在200至500℃之间时快速冷却，将会使钢材变脆，虽然强度会有一定增加，但可塑性却极具下降，以200至300℃最为突出，一般把这个现象称为兰脆现象。当工件温度在200至300℃时一定要注意不可使用铁锤猛烈敲击，防止出现裂纹；第四，当温度在工件温度在450至700℃时，其中的珠光体和铁素体变化不是太明显，在快速冷却时会出现再结晶现象，称之为再结晶段，若冷却速度较快时再结晶将变细，工件的强度和硬度出现明显提高，其他机械性能变化不大；当加热至723至850℃时，由于温度较高，铁素体渐入奥氏体状态，但并未完全融入，称之为未完全重结晶段，在此时对其进行风冷或水浇冷时，将会从奥氏体中会析出晶粒微细的铁素体，而没有融入奥氏体的微粒的铁锁体依然比较粗大，由于微粒大小存在差别，造成钢材的抗拉强度与可塑性都比较差；当温度超过850℃时，铁素体就会完全融入奥氏体，快速冷却后会出现微小晶粒，此时强度和塑性都比较高。总体来说，一般会将水火弯曲温度控制在500至700℃之间，此时无论是金属本身，还是热能消耗方面都比较合理，而对于一些加工较厚的构件时，会将温度控制在850至1000℃范围内，一般内陆船厂会降温度控制在500至700℃范围内，只有一些沿海的大型造船厂会将温度控制在850至950℃范围内，主要是由于沿海地区钢材相对较厚一些。
（三）水浇冷在水火弯板工艺中的作用分析
水火弯曲是指在钢板弯曲成形时采用火焰加热，当达到一定温度后用水强迫冷却，最终达到钢材的成形工艺。一般会采用水跟踪热源，距离热炬一定距离的位置持续用水进行冷却，此方法也称之为水冷热状加热法。此冷却方法可有效改善加工现场的环境与加工条件，并且可以快速显示出钢材的弯曲效果，进行连续加工，有效的提高了生产效率，因此水浇冷技术深受工人的喜欢。
结语：综上所述，在船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工技术中对工艺影响的因素比较多，所以水火加工工艺技术对工件的性能有重要影响。经过上文分析可得，在船舶艏艉大曲面线型钢板水火加工过程中需要根据工艺的技术特点有效的控制加温范围，从而起到提高工件性能的效果。
参考文献：
[1]邓燕萍,郭培军,刘玉君,纪卓尚.船体外板水火成型工艺参数预报系统设计与实现[J].船舶工程,2008(01):61-65.
[2]徐金雄,程良伦,丘文波,林嘉华.船体外板成形自动加工系统与关键技术研究[J].机床与液压,2018,46(15):45-49.
论文作者:叶彬康,王翔, 黄拥军
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/11
标签：水火论文; 钢板论文; 工件论文; 加工论文; 曲面论文; 船舶论文; 温度论文; 《科技新时代》2018年11期论文;