，，，,3，

(1.江蘇科技大學(xué) a.海洋裝備研究院; b.船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074；3.上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；4.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068)

船體外板結(jié)構(gòu)，特別是艏艉等特殊部位，多采用復(fù)雜雙曲率板材進(jìn)行建造；板材彎曲成型的精度和效率直接影響著船舶生產(chǎn)的成本和周期。當(dāng)前，船體曲面彎板成型的工藝方法主要有：冷彎成型和熱彎成型。由于冷彎?rùn)C(jī)械設(shè)備的差異，冷彎成型又可分為三輥卷制成型、專用胎膜壓制成型和可調(diào)節(jié)多膜頭壓制成型等；而熱彎成型根據(jù)熱源形式不同，又可分為氧-乙炔火焰加熱成型(水火彎板)[1-2]、感應(yīng)加熱成型[3-4]及激光加熱彎曲成型[5]等。大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的水火彎板加工控制軟件系統(tǒng)，具有船體外板精確展開(kāi)計(jì)算、水火彎板變形快速預(yù)測(cè)、船體外板水火加工工藝參數(shù)優(yōu)化、并與船舶設(shè)計(jì)軟件 Tribon 系統(tǒng)相連接，可根據(jù)任務(wù)要求建立相應(yīng)模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程。韓國(guó)漢城大學(xué)[6-7]研制的自動(dòng)水火彎板加工系統(tǒng)可以進(jìn)行船體外板建模、外板展開(kāi)、加熱工藝參數(shù)計(jì)算、鋼板幾何形狀的自動(dòng)測(cè)量。日本石川島播磨重工開(kāi)發(fā)的IHI-α系統(tǒng)軟件[8-9]可自動(dòng)計(jì)算加工方案并進(jìn)行加熱彎曲；其中，除了鋼板翻身需要人工干預(yù)外，全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。該系統(tǒng)的彎曲成型速度遠(yuǎn)高于基于手工操作或工人經(jīng)驗(yàn)的加工系統(tǒng)，大大減少了加工時(shí)間。一個(gè)高度復(fù)雜的船體曲面以前要2～3 d的手工加熱彎曲成型，現(xiàn)在只需要5～6 h，其中還包括2～3 h的方案計(jì)算時(shí)間。冷彎成型因設(shè)備體積大，成本高，且加工柔性不足，很難應(yīng)用到船舶建造中；而水火彎板技術(shù)的加工效率和精度不足，且存在一定的安全隱患，在船廠的應(yīng)用正逐步減少?；诟袘?yīng)加熱的板材彎曲成型工藝，因成本較低、操作便捷、精度控制及生產(chǎn)效率高，已經(jīng)在日韓的船廠中得到越來(lái)越多地應(yīng)用。

1 感應(yīng)加熱及彎曲成型機(jī)理

感應(yīng)加熱系統(tǒng)的基本組成包括交流加熱電源、感應(yīng)線圈和導(dǎo)磁工件。感應(yīng)線圈與電源連接，在線圈內(nèi)產(chǎn)生交變電流，進(jìn)而得到一個(gè)通過(guò)導(dǎo)磁工件的交變磁場(chǎng)；該磁場(chǎng)與導(dǎo)磁工件高速切割產(chǎn)生渦流熱源，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)磁工件的加熱原理見(jiàn)圖1。

圖1 電磁感應(yīng)加熱原理

試驗(yàn)采用新型25 kW便攜式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，其輸出電壓24 V，輸出電流1 060 A，振動(dòng)頻率30～100 kHz；輔助水冷系統(tǒng)功率12 kW，冷卻能力209.3 kJ/h，循環(huán)水量12.5 m3/h；還配有軌道移動(dòng)小車，確保加熱速度均勻可控。

電磁感應(yīng)加熱線圈中的交變電流，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并形成渦流熱源，使得板材溫度升高。加熱部分受熱膨脹，卻受到周圍冷卻金屬的拘束，發(fā)生變形；當(dāng)加熱溫度高于屈服溫度時(shí)，加熱部分產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。而當(dāng)感應(yīng)加熱線圈離去，加熱部分開(kāi)始冷卻時(shí)，也因周圍金屬的拘束，可能產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變。加熱板材的溫度降低到初始室溫時(shí)，加熱區(qū)域會(huì)產(chǎn)生垂直加熱線的殘余壓縮塑性應(yīng)變，而其數(shù)值沿著厚度方迅速減??；該殘余壓縮塑性應(yīng)變產(chǎn)生的內(nèi)力及彎矩，使得板材彎曲，并產(chǎn)生面外變形如下[10]。

(1)

式中：εplastic為感應(yīng)加熱生成的塑性應(yīng)變;E為板材的彈性模量;z為塑性應(yīng)變?cè)诎搴穹较虻淖鴺?biāo)；h為板厚；F和M分別為塑性應(yīng)變產(chǎn)生的力和力矩。

2 感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)測(cè)量

試驗(yàn)首先對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和分析，利用K型鉑-銠熱電偶和高精度瞬態(tài)溫度測(cè)量?jī)x，對(duì)若干點(diǎn)的溫度熱循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

使用揚(yáng)州晶明科技有限公司的溫度無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有8通道，可同時(shí)以16 Hz/s的采集頻率，測(cè)量并保存8個(gè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。具體地，沿著感應(yīng)線圈移動(dòng)方向，依次設(shè)置8個(gè)溫度熱循環(huán)測(cè)量點(diǎn)；使用熱電偶點(diǎn)焊機(jī)，將K型鉑-銠熱電偶一端通過(guò)點(diǎn)焊固定在測(cè)量位置，并將另一端與溫度場(chǎng)測(cè)量?jī)x連接，見(jiàn)圖2。

圖2 熱電偶測(cè)量位置示意

由于點(diǎn)焊接觸問(wèn)題，最終只有距離感應(yīng)加熱線圈位置為1、5和12 mm的3個(gè)熱電偶，采集并保存有效的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。

通過(guò)軌道移動(dòng)小車，依次變化感應(yīng)加熱線圈的行進(jìn)速度，見(jiàn)表1。

表1 感應(yīng)加熱線圈移動(dòng)速度

計(jì)算得到不同行進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的線能量，并基于熱電偶采集的溫度熱循環(huán)數(shù)據(jù)建立線能量與最高溫度的內(nèi)在關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 感應(yīng)加熱線能量與熱電偶測(cè)量最高溫度的關(guān)系

其中，隨著線能量的減小，測(cè)量點(diǎn)的最高溫度也隨之減?。痪嚯x感應(yīng)加熱線圈越近，測(cè)量點(diǎn)的最高溫度越高。

3 6 mm板材馬鞍形彎曲成型

對(duì)長(zhǎng)300 mm、寬200 mm、厚6 mm的Q235船板鋼，使用上述的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行板材彎曲成型測(cè)試。其中，感應(yīng)加熱線圈的移動(dòng)速度約為15 mm/s，加熱的順序和路徑見(jiàn)圖4。

圖4 船板鋼Q235線加熱路徑

當(dāng)板材溫度降低到室溫，采用湖北工業(yè)大學(xué)精密模具工程技術(shù)研究中心的高精度三坐標(biāo)定位儀(global classic SR系列，測(cè)量精度2 μm)進(jìn)行面外彎曲變形的測(cè)量。

為了確保測(cè)量的精確度，需要對(duì)測(cè)量表面進(jìn)行除銹；再將測(cè)量試件固定在工作臺(tái)上。通過(guò)測(cè)量探針建立參照面，并獲取彎曲板材的相對(duì)空間坐標(biāo)；經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行曲面重構(gòu)，見(jiàn)圖5，進(jìn)而得到面外彎曲變形的分布和精確數(shù)值。

圖5 測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)的馬鞍形板材面外彎曲變形

從圖5的面外變形分布云圖中可以看出，板材在加熱線方向向下彎曲，而在垂直加熱線方向向上彎曲，即在長(zhǎng)度方向和寬度方向彎曲曲率相反，得到了馬鞍形的彎曲板材。

為了更進(jìn)一步分析馬鞍形彎曲板材的面外變形特征，選取了圖6所示的線1和線2上的點(diǎn)；圖7中可以明顯的看出，線1上的點(diǎn)面外變形為整體向下彎曲，而線2上的點(diǎn)面外變形為整體向上彎曲，彎曲曲率的方向剛好相反。

圖6 彎曲板材面外變形測(cè)量線位置

圖7 馬鞍形彎曲板材面外變形分布對(duì)比

4 8 mm板材帆形彎曲成型

對(duì)長(zhǎng)300 mm、寬200 mm、厚度為8 mm的AH36高強(qiáng)鋼，使用上述的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行板材彎曲成型測(cè)試。其中，感應(yīng)加熱線圈的移動(dòng)速度也約為15 mm/s，分別沿著板材長(zhǎng)度和寬度方向加熱，具體的順序和路徑見(jiàn)圖8。

圖8 高強(qiáng)鋼AH36線加熱路徑

當(dāng)板材溫度降至室溫，采用上述的高精度三坐標(biāo)定位儀對(duì)彎曲成型的板材進(jìn)行面外變形的測(cè)量，且相關(guān)測(cè)量流程類似。帆形彎曲板材被橫向固定在工作臺(tái)上；探針測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析，重構(gòu)的曲面形狀見(jiàn)圖9。

圖9 測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)的帆形板面外彎曲變形

其中，由于感應(yīng)加熱線圈在橫向和縱向都發(fā)生了熱-力耦合響應(yīng)，板材整體呈帆形，向下凹陷。依然取出圖6中線1和線2上的點(diǎn)進(jìn)行研究，其面外變形分布見(jiàn)圖10；可以發(fā)現(xiàn)：線1和線2上的點(diǎn)面外變形為統(tǒng)一向下彎曲，且彎曲曲率的方向一致。

圖10 帆形彎曲板面外變形分布對(duì)比

5 結(jié)論

1)建立了感應(yīng)加熱線能量與最高溫度的內(nèi)在關(guān)系，且感應(yīng)加熱基于鋼板的導(dǎo)磁特性，故最高加熱溫度常低于鋼的居里點(diǎn)溫度。

2)基于板材感應(yīng)加熱彎曲成形理論分析，提出2種不同加熱路徑，分別獲得馬鞍形和帆形曲板；馬鞍形曲板，在單向多次加熱，板材在收縮力的作用下，受壓屈曲。