水火弯板工艺力学

第20卷 第8期 中 国 水 运 Vol.20 No.8 2020年 8月 China Water Transport August 2020收稿日期：2020-03-30作者简介：曹文馨（1986-），男，研发设计院，工程师，从事船体结构设计等工作。

船体曲面水火弯板加工工艺算法研究曹文馨，樊洪良，冉建华（研发设计院，上海 200136）摘 要：水火弯板是船舶曲面外板成型的主要工艺，可靠的成型预测方法是板件成形自动化系统研究的基础。

本文研究了水火弯板加工的机理及加工工艺参数确定的算法。

在建立并以实验验证了水火弯板的数值模拟模型的基础上，确定了火焰成形的温度场和变形场等主要影响参数，提出了温度场及变形场的描述方案，并通过计算得出了板的温度场及变形场与主要加工参数之间的关系，最后对给定帆形板典型船体结构曲面板的水火成型过程进行了热弹性有限元模拟并确定加工工艺参数算法。

关键词：水火弯板；数值模拟；加热路径；温度场；变形场中图分类号：U671.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）08-0050-03一、引言造船过程中有大量的船体曲面外板需要成型加工，对于较为复杂的给定型值的双曲率曲面板采用的是水火弯板进行加工。

水火弯板是一种曲面板成形的重要方法，该方法需预先布置加热线方案并采用火焰热源沿加热线加工并跟踪水冷的方式实现板件成形。

目前水火弯板的加工单纯是依靠人工和经验来确定加热线的位置和长度以及加热和冷却时间直至最终曲面的成形。

随着造船模式的转变，水火弯板自动加工设备的研制和应用日益成为一项急待解决的课题。

水火弯板自动加工设备是以水火弯板加工参数确定的理论为基础研制的。

加工参数的确定，是指对于一给定型值的双曲度船体外板，如何确定外板展开形状，加热线位置和长度，氧及丙烷的流量，喷嘴高度，加热温度，冷却方式及支撑形式等各种加工工艺参数。

只有在对以上各加工参数及最终变形之间的关系有了明确的认识之后，才能反过来根据这一关系确定，能够获得所需最终形状的加工参数。

水火弯板加工工艺
1.水火弯板工艺的基本原理：由于热场的局部性与沿板厚方向的温度梯度，使受热金属的膨胀受到周围冷金属的限制，而产生压缩塑性变形，在冷却时形成了横向变形的角变形，从而达到弯曲成形的目的。

水火弯曲具有生产效率高，成形质量好，设备简单等优点，90%以上得船体复杂曲度外板都进行水火弯板法。

2.水火弯板是一种热弯加工工艺，它是沿预定的加热线用氧乙炔烘炬对板材进行局部线状加热，并用水进行跟踪冷却，使板材局部塑性变形，从而达到所要求的形状方法，又称线状加热法(移动热源）
3.影响水火弯板成形效果的各种因素
1.加热线对成形的影响
加热线的位置，疏密和长短对板材成形效果影响极大。

弯板时，加热线的位置主要取决于所求的构件形状，确定加热线的位置是水火弯板的关键。

加热线的疏密和长短主要影响构件的成形效果，但应注意，加热线的位置不可跨越构件横剖面的中和轴。

2.冷却方式对成形加工的影响
1.自然冷却构件加热后，在空气中自然冷却时一种工艺方法。

优点是操作简单。

缺点是成形速度慢，而且在产生角变形的同时会产生不必要的纵向挠度。

2.正面跟踪水冷却是冷水喷射在正在冷却的金属上的一种工艺方法。

它加快了金属的
收缩，强化了正在加热金属的压缩作用，使其产生较大的附加变形。

但是由于加热面被水强制冷却，温度急剧降低，甚至使正面低于背部温度，出现负温差，降低了角变形的效果，在变形的反作用力下，使正在冷却过程中的金属受到附加拉伸作用而抵销部分变形，因此角变形效果一般不如空气冷法好。

但其横向收缩变形却比空气冷法大，成形加工所不需要的加热线纵向收缩变形也远比空气法小。

船舶零部件热加工（水火弯板）工艺1 定义零部件热加工又称水火弯板，以下统称水火弯板。

2影响水火弯板效果的各种因素2.1相同的板在不同的位置进行线状加热，成形形状会完全不同。

因此，在常规的水火弯板中加热线的位置、疏密和长短一般由操作人员按实践经验掌握，根据构件所要求的实际形状确定。

2.2水火弯板的冷却方式有自然冷却（空冷）、正面跟踪水冷和背面跟踪水冷三种。

三种冷却方式成形效果不同，在实际生产中根据具体情况三种方法可以交叉应用。

需要注意的是在采用水冷方法时，火焰中心与喷水管中心应保持适当的距离，对一般的中厚板：碳钢的水火距宜取100~130mm；船用低合金钢宜取250~350mm（水冷温度在500℃以下）不应采用骤冷方式（水火距在60mm以内）。

2.3根据板厚确定最佳的加热速度，可以提高成形效果。

必须注意不要使一次成形的角度过大（不大于3°），避免板面产生突棱，影响板面的光顺美观。

2.4对加热构件的同一位置重复加热次数不能超过三次。

3典型特征的水火弯板工艺3.1帆形板帆形板的纵向曲度与横向曲度的方向一致。

先用机械冷弯设备弯出横向曲度，再用水火弯板法弯曲纵向曲度。

加热线应位于板的横剖面的两侧，弯曲时采用水火收边的方法，依靠其横向收缩变形及角变形，使构件两侧纵边缩短而得到构件的纵向曲度。

3.2鞍形板鞍形板的纵向曲度与横向曲度的方向相反。

先用机械冷弯设备弯出横向曲度，再用水火弯板法弯曲纵向曲度。

加热线应位于板的横剖面的中间，弯曲时应加热构件背面的中间部分，使构件中间部分产生纵向缩短而得到其纵向曲度。

4水火弯板的主要工艺要求4.1 进行线状加热以前，应根据构件的成形要求，在钢板上预先定出加热线的位置，以便加热时正确掌握。

各加热线的起点不宜在一条直线上，应相互错开。

4.2 应根据构件成形要求，选择合理的加热参数。

过高的加热温度对质量和成形效果均无好处，应尽量避免。

推荐先用下表所列的加热参数。

水火弯板加热参数4.3 形状左、右对称的构件，对称轴两侧的加热线的位置、数量和长度应一致，操作也必须对称进行。

水火弯板项目概况一、研究意义船体外板曲面的成型加工是船舶制造的关键及重要环节之一。

各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，通常采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热，当加热区达到一定温度后再降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形，这就是所说的水火弯板工艺。

其中影响钢板变形的因素，有板材的形状参数(板长、板宽、板厚、曲率大小)，加工参数(加热线的长度、宽度及形状、加热速度)，热源(气体火焰、高频感应、激光加热)，边界条件(两端自由、两端支撑、四角支撑)，冷却方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。

二、国内外研究现状目前国内外大部分造船厂的水火弯板工艺都是由技术熟练的造船工人凭借长期积累的加工经验按照这个一般过程操作的。

而这种经验型的手工加热模式存在如下的不足:①水火弯板加工经验需要在长期的加工实践中获得，培养一名有经验的技工很不容易。

工作环境比较艰苦，劳动条件也较差，因此随着老工人的退休，很多青年工人不愿意从事这一工种。

②手工加热型的水火弯板加工存在加工时间长，成形质量不容易控制，难以实现精度控制等困难。

这导致了造船周期长，为后续造船工艺的精度控制设置了障碍。

③当今世界船舶市场的竞争日趋激烈，为了提高自身的造船竞争力，船厂必须在缩短造船周期、提高造船质量和降低造船成本等方面下功夫。

双曲率船体板的水火弯板成形是一个不可或缺的造船工艺，而手工加热型的水火弯板加工在成形效率和成形质量上都不能满足现代造船生产的迫切要求。

因此，水火弯板研究具有明显的工程应用背景和重要的学术价值，实现水火弯板成形的自动化己经是造船界的共识，必须尽决加以解决。

作为水火弯板工艺的发源地，日本早在二十世纪五六十年代就开始了对此工艺的探索，七八十年代开始了自动加工设备的研究。

1999年日本石川岛播磨重工业株式会社研制出一台曲板成形的自动化加工装置IHI-α。

该装置有以下几个特点[1]：（1）自动计算出曲板的加热路径和加热头热输入率等参数，以及加工后曲板形状变化的误差。

.. .. ..水火弯板项目概况一、研究意义船体外板曲面的成型加工是船舶制造的关键及重要环节之一。

各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，通常采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热，当加热区达到一定温度后再降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形，这就是所说的水火弯板工艺。

其中影响钢板变形的因素，有板材的形状参数(板长、板宽、板厚、曲率大小)，加工参数(加热线的长度、宽度及形状、加热速度)，热源(气体火焰、高频感应、激光加热)，边界条件(两端自由、两端支撑、四角支撑)，冷却方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。

二、国内外研究现状目前国内外大部分造船厂的水火弯板工艺都是由技术熟练的造船工人凭借长期积累的加工经验按照这个一般过程操作的。

而这种经验型的手工加热模式存在如下的不足:①水火弯板加工经验需要在长期的加工实践中获得，培养一名有经验的技工很不容易。

工作环境比较艰苦，劳动条件也较差，因此随着老工人的退休，很多青年工人不愿意从事这一工种。

②手工加热型的水火弯板加工存在加工时间长，成形质量不容易控制，难以实现精度控制等困难。

这导致了造船周期长，为后续造船工艺的精度控制设置了障碍。

③当今世界船舶市场的竞争日趋激烈，为了提高自身的造船竞争力，船厂必须在缩短造船周期、提高造船质量和降低造船成本等方面下功夫。

双曲率船体板的水火弯板成形是一个不可或缺的造船工艺，而手工加热型的水火弯板加工在成形效率和成形质量上都不能满足现代造船生产的迫切要求。

因此，水火弯板研究具有明显的工程应用背景和重要的学术价值，实现水火弯板成形的自动化己经是造船界的共识，必须尽决加以解决。

作为水火弯板工艺的发源地，日本早在二十世纪五六十年代就开始了对此工艺的探索，七八十年代开始了自动加工设备的研究。

1999年日本石川岛播磨重工业株式会社研制出一台曲板成形的自动化加工装置IHI- 。

该装置有以下几个特点[1]：（1）自动计算出曲板的加热路径和加热头热输入率等参数，以及加工后曲板形状变化的误差。

水火弯板梯形加热变形机理研究水火弯板梯形加热变形机理研究是热力学和材料科学结合的重要研究领域，对于工业生产具有重要的意义。

在加热过程中，梯形板因受到外部温度的作用而发生变形，研究其变形机理有助于掌握加热制品的工艺效率与质量。

研究发现，在水火弯板梯形加热过程中，板材发生变形的主要机理是材料的热膨胀和热应力，这两种机理是相互作用的。

热膨胀是指在加热作用下，板材的尺寸会发生变化，而热应力则是因热膨胀引起的内部应力，会导致板材发生畸变和破裂。

具体来说，当梯形板受到热源加热时，其表面层先受到加热，温度升高，导致材料发生线膨胀，使表面层板材产生向上的应变。

而内层板材温度还没有升高到膨胀程度，导致表面层的膨胀使得内层受到压缩，同时产生向下的应变。

这种内部应力的变化，可导致板材出现热应力集中，产生畸变和裂纹。

为避免出现热应力的冲击，研究表明在梯形板的加热过程中应该采用渐进加热的方式，即从板材的中央区域开始加热，然后逐渐向外扩散加热。

这种方式能减缓因温度变化而形成的应变速度，避免形成应力集中。

此外，在水火弯板梯形加热过程中，还需要遵循材料的物理性质来控制板材的热膨胀，可以通过调整加热速度、温度、时间等参数来控制。

同时，也可以采用特殊的辅助工具和设备来减缓或控制板材的热膨胀和应力集中。

总之，水火弯板梯形加热变形机理研究对于掌握加热制品的工艺效率与质量具有重要的意义。

通过深入研究加热过程中的机理和相关控制方法，有助于提升生产效率和产品质量，为工业发展做出贡献。

对于水火弯板梯形加热变形机理研究，需要进行大量数据的收集和分析，以此来深入了解加热过程中的机理问题。

以下是一些相关数据和分析：1. 材料热膨胀系数：材料的热膨胀系数是指单位温度变化所引起的线膨胀率，它是研究热应力和变形机理的重要参数之一。

例如，对于钢材，热膨胀系数约为11.7×10^-6/℃，而对于铝材，热膨胀系数则大约为25×10^-6/℃，这两者的差异将在加热过程中产生不同程度的影响。

船舶与海洋工程结构物CAM辅导资料十五主题：第五章船体加工的计算机辅助技术（第4节）学习时间： 1月4日－1月10日内容：第五章船体加工的计算机辅助技术第四节船体双曲率外板热加工自动成型技术水火弯板工艺：把平板在辊床上加工成筒形，然后对钢板边缘（或中间）进行线状加热，再浇水急剧冷却，使钢板局部高温经过冷却后产生局部热弹塑性收缩变形，形成所需的三维曲面。

是双曲度外板的主要加工方式，目前几乎所有的双曲度船体外板都是采用水火弯板工艺成形的。

优点：加工快、操作灵活、不需要其他设备及适于复杂形状的成型加工等。

缺点：由熟练的技术工人凭借长期积累的经验现场确定加工参数，手工完成作业。

普通工人难以在短时间内全面掌握这项技术。

技工培训不易，水平也参差不齐，直接接触火焰和水蒸气，劳动环境恶劣，劳动强度大，这种工艺存在断层的危险。

工作效率低，速度和质量都满足不了现代化造船生产的需要，称为生产系统的“瓶颈”。

如果通过计算机技术和数控技术来实现水火弯板加工作业自动化，这对提高劳动成产率、减轻工人劳动强度、减少返工费用、奇高加工精度等都有重大的经济意义。

本章将主要介绍水火弯板变形机理、主要变形规律和水火弯板自动化加工工艺参数预报方法。

5.4.1 水火弯板变形机理和主要变形规律变形机理：水火弯板属于热弹塑性变形问题，是利用金属板局部受高温冷却后产生局部热弹塑性收缩变形的原理，形成所需要的三维曲面。

水火弯板同金属焊接等其他涉及冷热加工处理过程一样。

会产生热应变和热应力，在焊接中，这些热应变和热应力属于冷热处理的副作用，是很不利的因素，而且在一定条件下会产生很大的残余变形和破坏，而在水火弯板中，正是利用这样的热应变和热应力来达到曲板成形的目的。

水火弯板过程中影响变形的因素：⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩气温氧气的压力和流量次重要影响因素乙炔的压力和流量水流量钢板的材质⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎩⎩板长板宽板材的材质和形状参数——重要板厚曲率大小布置宽度加热线长度——重要间距——重要加工工艺参数加热速度——重要热源喷嘴距钢板的高度——重要水火距喷嘴离板面的高度两端自由钢板支撑方式两端支撑四脚支撑正面水冷方式背面水冷冷却空冷速度——重要通过大量的实验，得到的主要工艺参数对局部变形的影响规律为：（1）加热速度对局部收缩量的影响在不同厚度的钢板上，固定加热线长度，取对应板厚和加热顺序的加热速度区间，得到加热速度对局部收缩量的影响规律。

EH36船用钢水火弯板试验及分析潘正军;江泽新;马金军;陈华【摘要】水火弯板是船舶制造过程中非常重要的热加工工艺,作者针对EH36船用钢采用水火弯板工艺进行了相关试验,并对结果进行了分析.通过试验,分析得出加热温度、加热次数、钢板的碳当量及钢板供货状态对于水火弯板后力学性能的影响.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】4页(P95-98)【关键词】水火弯板;船用钢板【作者】潘正军;江泽新;马金军;陈华【作者单位】广船国际有限公司,广东广州510250;广船国际有限公司,广东广州510250;广船国际有限公司,广东广州510250;广船国际有限公司,广东广州510250【正文语种】中文【中图分类】U671本公司在经营业务中承接了冰区加强型船，水线以上部分基本上都采用了Ep6级别钢。

对于带线型的外板大都需要应用水火弯板工艺进行加工，由于之前应用的钢板级别都低于Ep6，且考虑到本船特殊的航行区域，因此对Ep6钢板采用水火弯板后的性能需要进行验证，从而为钢板的选择提供试验依据。

由于Ep6钢目前主要有正火以及TMCP两种交货状态。

正火状态钢属于传统的钢板制造工艺，需要添加合金进行强化以及细化晶粒，其碳当量相对较高，组织以铁素体和珠光体为主，呈带状分布，如图1所示。

TMCP钢则通过加快轧制后的冷却速度，不仅抑制晶粒的长大，且获得了高强度、高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，如图2所示。

从理论上分析碳当量越高，淬硬倾向越明显，高温加热并且水冷后组织性能也越差。

为了扩大钢板选择范围，本次试验分别选择了三个大型钢厂生产的三种不同交货状态、不同化学成分的钢板，相关化学成分及交货状态如表1所示，力学性能如表2所示。

(1) 试验方法。

每种编号试板切割试块各三块，每块试板尺寸为200 mm×400 mm，钢板轧制方向与短边方向相同。

火焰加热方向与长边相同，加热位置集中在短边中心相连线两侧各25 mm，如图3所示。

船体建造火工知识1、火工弯板的基本原理：火工弯板，通称火工校正、火工矫正、缩火。

•原理：在钢板上进行加热，然后让其冷却，使钢板产生横向收缩和角变形。

••（1）为什么会产生横向收缩。

因为是利用了金属热涨冷缩的原理。

当钢板通过加热后就会出现迅速膨胀，但当停止加热并温度逐渐冷却后，钢板也就出现收缩现象。

加热温度越高、受热面积越大，其膨胀越大。

反之，其收缩也就越快，收缩量相对也较大。

（2）为什么会产生角变形。

因为钢板是有厚度的，在钢板上加热是在板的一面进行，这样直接加热的一面温度就比另一面要高得多。

根据以上原理，温度高的一面收缩量大，而温度低的一面收缩量小，由于钢板两面横向收缩不对称，就出现了角变形。

火工弯板就是利用这个原理。

2、火工弯板的冷却方法：以上提到在钢板上加热，然后冷却，那么是用什么方法来冷却呢，主要有以下三种：（1）水冷却；（2）空气冷却；（3）油冷却。

不同的冷却方法，是根据不同的材料或材质，不同的部位或不同的弯板及变形状态，不同的矫正或校正方法等因素而确定的。

水冷和空冷是常见的方法，而油冷不多见。

对于油冷，是针对特殊材料，在冷却速度要求较缓慢、均衡等特殊情况下使用油冷或油加热。

比如门大小车行走系统，其轴承规格是较大的，在轴承套内安装轴承时，往往是将轴承套热油内加热使其膨胀，然后拿出来进行轴承安装，接着再将其放在油内冷却，这样是其热胀及收缩比较均衡。

对于用水冷却，也有两种方式，一是正面跟踪冷却法；二是背面跟踪加热的速度冷却法。

但这里主要材质是指低碳钢，对低合金钢或高强度钢另外作出说明。

①正面跟踪冷却法：就是在钢板正面用火加热，然后在正面用水跟踪加热器行走的速度进行冷却。

②背面跟踪冷却法：就是在钢板正面用火加热，然后在其背面用水跟踪加热器行走的速度进行冷却。

注意：正面跟踪冷却，水与火的间距40～90mm左右（薄板近，厚板远）；而背面跟踪冷却法，水与火的间距要适当远一些，一般是正面间距的1.5～2倍，大约在90～130mm，这是指低碳钢，如果是低合金高强钢，水与火的间距应为250～350mm，主要是不应采用骤冷方式，应等到温度下降低于500℃才能水冷。