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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。
火焰矫正工艺1. 火焰矫正基本参数1.1 火焰选择火焰矫正一般采用的是氧—乙炔比为 1.1~1.2的中性焰或氧—乙炔比不大于1.25的氧化焰，为防渗碳等不良影响，尽量避免使用碳化焰。
1.2 加热温度及冷却介质火焰矫正的加热温度可分为低温（500~600oC）、中温（600~700o C）、高温（700~850o C）。
进行低温矫正时，可用水直接冷却；中温矫正时，用水或在空气中冷却；高温矫正时，在空气中冷却。
钢材矫形加热温度不允许超过850o C，严禁过热。
钢材表面的颜色与加热温度的关系见下表：2. 火焰加热方法2.1 点状加热法加热区域为一定直径的圆状点形。
按工件变形情况可采用一点或多点加热，圆点直径一般为30mm左右，加热点距离为50--100mm。
2.2 线状加热法加热时火焰沿直线方向移动，同时在宽度方向上作一定的横向摆动；一般加热宽度为20—90mm，板厚小时取窄一些。
2.3 三角形加热法加热区域为三角形，根据变形量的大小，确定三角形的形状和面积。
3. 火焰矫正的工艺过程3.1 正确的测量变形值，并在其部位划好记号。
3.2 根据具体变形情况和加热区域来选择火焰矫正的操作方法（点状、线状、三角、梯形、矩形等），确定是否需加支撑、重铊、千斤顶等工具，估计需几把烤具同时进行等。
3.3 火焰矫正过程要分几次（批）进行。
首次（批）加热区的数量要小于预计的总数。
每次加热后必须冷却至室温，测量变形大小，再确定下次（批）加热区的位置和数量。
4 火焰矫正的注意事项4.1 火焰矫正的效果如何主要有三个因素：加热位置、加热温度、加热区的形状。
）4.2 加热温度不宜过高甚至烧化金属。
矫正时要随时注意观察金属的颜色，当达到要求温度时要立刻将火焰抬高或移开。
4.3 火焰矫正时，不允许在300oC～500o C时锤击，主梁腹板、上下盖板尽量避免火焰加热后正锤打方法矫正变形。
4.4 火焰矫正加热区应远离梁中心和在主梁的最大应力截面处（如焊缝区域等）。
船体火工矫正原则工艺1.火工矫正的作用原理船体结构的火工矫正，就是利用金属局部受热后，所引起的新的变形去矫正原先的变形。
当金属局部加热时，被加热处的材料受热而膨胀，但由于周围温度低，因此膨胀受到阻碍，此时加热处金属受压缩压力，当加热温度一般把变形量大的一端放在加热线的终端，而非始端；4）利用刚性约束能加大热塑变形量的原理进行矫正。
如果取水冷却的火工矫正办法，让周围的金属尽量保持冷却以提高周围约束的刚性，从而增大矫正效果；5）利用预应力进行矫正。
如果用辅助工夹具等，以使冷金属区域预先有一个附加的应力压缩加热区金属，促使压缩应力提早达到屈服点，而加快热塑变形以增大矫正效果。
2.2加热方法方法优缺点、适用范围线状加热法加热线宽度一般为钢板厚度的0.5~2倍，矫正质量好、效率高，适用于矫正板架、变形“瘦马”变形,板架的起伏波浪变形等.点状加热法各点直径一般不小于15mm,变形量越大,点与点距离越小,一般为50~100mm,加热参数易掌握、但速度慢、工效低.三角形加热法适用于矫正较大构件的弯曲变形.2.3按冷却方法划分方法优点、适用范围常规矫正法（空冷法）用于矫正各种钢结构。
水火矫正法用于矫正低碳钢等。
2.4火工矫正参数1）火工矫正参数包括火焰性质、火焰功率、加热温度、加热区规格、火焰至工件表面距离；火焰一般采用氧-乙炔焰。
2）钢板四边波浪变形时，加热长度一般为板宽的1/2~1/3，加热距离视变形越大，距离越近，一般50~200mm。
矫正厚钢板弯曲变形时，加热深度不超过板厚的1/3。
3）加热点至工件表面的距离应以能获得最高的热效率为宜。
水火矫正厚度为5~6mm钢板时，水火间距离为约25~30mm。
4)低碳钢火焰矫正时,常采用600°C~800°C的加热温度,一般不超过850°C。
一般凭钢材的颜色判断加热温度，见下表：颜色温度（°C）深褐红色550~580褐红色580~650暗樱红色650~730深樱红色730~770樱红色770~800淡樱红色800~830亮樱红色830~900橘黄色900~1050暗黄色1050~1150 3.火工矫正的时机、范围及处理方法4.1矫正前工作状态的要求。
火工矫正工艺标准1、火工矫正就是通过火焰加热作用，使钢材较段短部分的纤维伸长；或使较长部分的纤维缩短，最后迫使钢材反变形，以使构件达到平直及一定几何形状要求，并符合技术标准的工艺方法。
2、火工矫正的原理是利用钢材的塑性、热胀冷缩的特性，以外力或内应力作用迫使钢材的反变形，消除钢材的弯曲、翘曲、凹凸不平等缺陷，以达到矫正之目的。
3、火工矫正的主要形式有：校直：消除材料或构件的弯曲；校平：消除材料或构件的翘曲或凹凸不平；矫形：对构件的一定几何形状进行整形。
4、火工矫正常用的加热方法有点状加热、线状加热和三角形加热三种。
点状加热根据结构特点和变形情况，可加热一点或数点。
线状加热时，火焰沿直线移动或同时在宽度方向作横向摆动，宽度一般约为钢材厚度的0.5~2倍，多用于变形较大或钢性较大的结构。
三角形加热的收缩量较大，常用于矫正厚度较大、钢性较强的构件的弯曲变形。
在十字柱的矫正中常用的是三角形加热和线状加热。
5、温度控制：低碳钢和普通低合金钢的热矫正加热温度一般为600~900℃，800~900℃是热塑性变形的理想温度，但不得1超过900℃。
如加热温度再高，会使钢材内部组织发生变化，晶粒长大，材质变差。
普通低合金结构钢在加热矫正后应缓慢冷却，严禁使用水冷。
具体温度的控制通过钢材表面呈现的颜色来判断。
详见表1：6、火焰矫正用工具。
火焰矫正用烤枪的技术性能，见表2。
7、三种火焰的最高温度。
射吸式焊矩利用氧气和丙烯混合气体点燃后燃烧产生火焰，调节氧和丙烯的混合比例，可以获得三种不同性质的火焰。
此三种火焰氧、丙烯体积比和可达最高温度见表3。
表1温度与颜色对比表表2 烤枪的技术性能2表3 三种火焰氧丙烯体积比和可达最高温度碳化焰因丙烯没有完全燃烧，易使钢材碳化，特别对熔化的钢材有加入碳质的作用，因此火焰矫正时应尽量避免采用。
对于变形较大部位的矫正，要求加热深度大于5mm，那么就需要较慢的加热速度，此时宜用中心焰矫正较为适当。
船体火工矫正工艺1总则1.1本工艺适用于修船中焊接过程所产生的应力与变形，或由于海损局部变形；而无须进行挖补修理时可采用火矫正的方法进行修复。
1.2火工矫正即对钢板及构件进行局部加热，对弯曲或凹凸变形的部位的有限区域进行加热与冷却，产生收缩来调整构件的平直度及光顺度。
1.3本工艺也适用于造船中部件的合拢及分段合拢中的分段矫正及船台合拢后的局部矫正工作。
2火工矫正常用基本方法及技术要求。
2.1长条形加热法。
2.1.1用于钢板变形区，用氧乙快作直线或曲线形状的加热带，施于骨架背面或骨架背面的两侧。
2.1.2对于厚度大于6mml^上的钢板加热带要尽量靠近骨架。
2.1.3加热温度常用70cH 8OOC,最高85OC。
对板厚2〜4mm薄板，加热温度不大于700 c为宜。
2.1.4长条也可烧成口字形或〜〜形。
根据变形部位及变形特点灵活掌握。
2.2短条形加热法。
2.2.1加热线施于变形凸起的一面。
2.2.2加热温度常用708 803,最高85OC。
对板厚2〜4mm薄板，加热温度不大于700 c为宜。
2.2.3矫正变形时由近骨架处问中部变形大处移动，加热温度则由外向里渐增。
2.2.4矫正焊缝变形时，宜成交角以改善应力分布、a =35°〜40°。
2.2.5适用于板厚为2〜6mmiW板及T型构件。
2.3楔形加热法。
2.3.1适用于T型构件I型构件及其它型材的弯曲变形。
也适用矫正分段自由边缘的变形。
2.3.2加热区域的尺寸：hw (1/2 〜2/3)H a =30°2.3.3加热顺序：由两端向中间进行。
楔形加热的起点应从尖角开始。
2.3.4 加热要充分，保证使整个厚度烧透。
加热温度：常为 以免造成平面内的弯曲。
2.3.5 第二次加热需待第一次冷却后进行。
2.3.6矫正较大的变形时，可用锤击或兼施外加压力。
3修造船中常用的几种典型矫正工艺。
3.1 T 型构件的矫正。
3.1.1 对各种^^接后T 型材的弯曲变形采用矫正方法: a.面板凹入纵向弯曲。
火工矫正工艺1．范围本工艺规定了火工矫正工艺的准备工作、工艺要求、矫正后的检查。
本工艺适用于低碳钢、低合金钢材料的板架、T型构件的矫正。
2．矫正前的准备2.1 焊接成的T型、I型构件和基座等的矫正工作应在其上船安装之前进行；2.2 分段（刚性不足者除外）或总段的变形，应在离胎架前进行矫正。
矫正前，其内部结构的装配和焊接工作必须全部完成；2.3 仅作定位焊或尚未施行封底焊的结构，不得进行火工矫正；2.4 矫正刚性不足的单个结构时，必须注意作临时性加强；2.5 矫正前，要考虑工件原来的加工状态。
冷加工板内部存在压应力。
矫正冷加工板时的收缩量一般小于热加工板；2.6 当工作环境气温低于－10o C时应停止矫正操作；在夏日进行的矫正时，应考虑到日照对变形的影响。
3．一般要求3.1 火焰矫正时，通常采用中性焰，如果加热深度要求小时，可用氧化焰。
3.2 火焰矫正的加热方法及适用范围见表1：表1 火焰矫正的加热方法及适用范围3.3 根据结构材料性能、变形情况及技术要求，选择合理的矫正方案和矫正参数。
不宜在结构上形成很大的封闭式加热圈（如“井”字型、“回”字型和“目”字型）；3.4 为了避免因局部加热而引起立体分段或全船的总变形，矫正操作应尽可能对称于船体中线面和剖面中轴同时进行；在高度方向上则应自上而下进行；3.5 在矫正几幅毗邻并列的变形时，应间隔一幅（俗称“跳格”）进行。
这样，间隔幅度内的3.6 在矫正具有开孔或自由边缘的板架结构时，应先矫正板架的变形，后矫正开孔或自由边缘的变形；3.7当矫正厚板的加热速度较慢时，应不断摆动加热嘴，变动火焰位置，同时氧气压力不宜太高；3.8当矫正厚度小于5mm的薄板时，若需敲击，则应用木槌，且用力不能过猛；3.9在焊缝上不可直接加热和进行敲击。
在焊缝热影响区（距焊缝约30～50mm范围内），应尽量避免敲击。
若必须敲击时，应在焊缝位置垫以带槽平锤；3.10矫正时，用锤敲击的速度应随温度的减低而减缓，敲击位置也逐渐由加热区的外援移至中心。
钢结构焊接变形的火焰矫正施工方法钢结构焊接变形是在焊接过程中由于热量造成的材料收缩和形状变化。
要解决这个问题，可以采用火焰矫正法。
火焰矫正是通过施加热量使焊接部位重新膨胀，然后通过冷却使其重新恢复原来的形状。
火焰矫正施工方法主要分为以下几个步骤：步骤一：确定需要矫正的焊接部位，根据焊接变形情况进行定位和标记。
步骤二：选择适当的焊接材料，一般选择和焊接材料相似的材料进行矫正。
这样可以避免由于材料差异引起的新的变形。
步骤三：进行预热。
预热的目的是提高焊接部位的温度，以减少焊接时的热影响区域和残余应力。
预热的温度和时间需要根据材料和焊接参数来确定。
步骤四：点矫正。
在需要矫正的焊接部位周围加热，使材料膨胀。
加热的方法可以使用火焰喷枪、火焰烧烤器等。
加热的时间和温度需要根据焊接材料和厚度来确定。
步骤五：矫正。
在焊接部位加热到适当温度后，使用适当的工具对焊接部位进行矫正。
可以使用锤子、顶板、液压装置等工具进行矫正。
矫正力度需要根据焊接变形情况和设备情况来确定。
步骤六：冷却。
在矫正完成后，需要将焊接部位迅速冷却。
可以使用空气冷却、水冷却等方法。
冷却的速度和方式需要根据材料和焊接参数来确定。
步骤七：检查。
矫正完成后，需要对焊接部位进行检查。
检查的重点是焊缝和周围的变形情况。
如果存在问题，可以进行修复或者重新矫正。
火焰矫正施工方法需要考虑以下几个因素：首先，需要根据焊接变形情况来选择合适的施工方法。
不同的焊接变形需要采用不同的矫正方法。
其次，要注意控制施工过程中的热量。
过高的温度和时间会引起新的变形或者材料的烧灼。
因此，在施工过程中需要控制好加热的温度和时间。
最后，要进行严格的检查和测试。
检查焊接部位的质量和矫正效果，确保焊接后的结构安全可靠。
总的来说，火焰矫正是一种有效的钢结构焊接变形修复方法。
通过合理施工和控制热量，可以有效地解决焊接变形问题，保证焊接结构的质量和安全。
钢结构焊接变形的火焰矫正施工方法（二）钢结构焊接变形是在焊接过程中产生的，主要原因是焊接热引起了材料的热膨胀和热应力，进而导致焊接件产生变形。
