钢板矫平校直

钢板矫平校直

概述

在现代工业生产中，焊接或其他加热工序都会在随后的冷却过程中，在金属材料内部留下残余应力，从而导致金属的扭曲和变形。产生的这种变形，不仅影响外观，同时也影响正确的安装，甚至对后期的总装配造成各种麻烦，尤其是在具有焊接结构且复杂、巨大、精密的设备安装方面产生众多不良的影响。例如，具有焊接结构的造船工业，结构梁、桥梁、起重机械、存储罐（压力容器）等机械工业以及大型变压器机柜的电机工业，都存在这种问题。

造船业

在造船业中，船舶制造中的焊接是一个必不可少的过程（例如骨材的焊接，船体侧壁与甲板的焊接等），而焊接变形也成为了一个是很头疼的问题，相应的船体的变形矫正也成为后续必须完成的工作，尤其是军用船只上采用的薄钢板，经过焊接后，船甲板与侧壁将产生更为严重的扭曲变形，为了矫正这种变形，则往往要花费相当大的时间，严重影响了造船的效率，经过焊接后的船甲板，如图1所示。

图1焊接变形的船甲板

矫平技术

造船业中，船体甲板与侧壁焊接变形问题，已被研究了几十年，但是各种变形问题依然存在。船体甲板越薄，焊接中的变形越向钢板结构内部转移，导致矫正起来更为困难。

 一般，通过加热金属材料来改变平板、结构梁、板材等的形状。所谓的矫平，即通过热量缩小或缩短一个大的区域或表面。目前船体矫平技术包括火焰矫平与感应加热矫平两种方式，下面就这两种矫平方式进行阐述。

火焰矫平

在造船业中，传统的矫平方式采用火焰矫平，即火焰直接加热变形区域凸起的表面，火焰加热的厚度非常浅。在冷却过程中，加热一面钢板的收缩要比未加热一面收缩量大，钢板收缩不均匀。火焰矫平，对凸起的表面进行加热及冷却，如图2所示。

图2 火焰加热

在凸起的部分，加热很多小区域而使得钢板变平，如图3所示。

图3 钢板凸起区域加热区

操作工进行火焰加热及火焰矫平后的钢板，如图4、5所示

 图4操作工在进行火焰加热

图5 火焰矫平后钢板

火焰矫正，通常是用于处理厚度＞8mm的钢板。然而，对于薄钢板的加热，这种方式热量很容易传递到钢板内，这时，加热区域内的筋板也容易被加热，坚硬的筋板就会产生热变形。这样，把钢板加热到目标温度就需要更长的时间、燃烧更多的气体。对于低碳钢来说，火焰矫正的加热温度（自然冷却），温度一般为700-800℃。

火焰矫平，是通过加热凸起部位表面，增加加热表面的应力达到矫平的效果，但并没有减少焊接区域的应力。虽然可以达到矫平的效果，但是需要有经验的操作工，存在表面过加热并且不可控，噪音大，直接加热周围环境，产生有毒的气体与烟尘等各种问题，同时火焰矫平只能通过加热凸起侧才能实现矫平，如此众多问题最终导致了工作效率低、成本高，人力物力的大量浪费，为了解决这些不足，70年代，挪威成立了研究机构，研究新的矫平方式，以取代火焰矫平，最终研发出第一台感应矫平设备。通过测试，使用短的线圈，对薄板（军船一般采用的是4-7mm的薄板）进行感应加热，事实证明对减少薄板变形很有效，而且没有前面所描述的加热方法带来的缺陷。

感应加热矫平

感应加热原理

感应加热矫平，即交变电流通过感应器使钢板内产生“感生电流”，使该电流在集中加热区域使得温度快速升高，使加热区域的材料垂直膨胀；钢板冷却时，加热区域的材料在各个方向的收缩基本一致，产生持久形变，使板材变短，拉直，从而达到矫平的效果。感应器对凸起钢板加热，如图6所示。

图6 感应加热钢板示意图

红色区域为加热区域，红色区域上方为感应器。感应加热时，钢板下方可以看到，红色加热区域，如图7所示。

图7 感应加热时钢板下方加热状态

感应加热，快速并且穿透式的加热，促使加热区域快速垂直膨胀，冷却时，加热区域的材料在各个方向上收缩将一致，使得板材凸起部位变平。钢板冷却的收缩方向，如图8所示。

图8 钢板冷却收缩方向

加热部位

造船业中，感应加热部位主要是靠近焊缝的加热收缩，如图9所示。这个区域的加热效果是非常明显的，在焊缝一侧进行的焊缝加热收缩，可以消除凸起和凹陷两种变形，如图10所示。

图9焊缝处加热

图10 焊缝一侧加热

加热时间

图11为钢板表面与整个厚度加热所用的时间关系。

图11 钢板厚度与加热时间关系

由图11（来源EFD测试数据）可以看出，4s内就可以把钢板表面加热到居里温度(740℃),根据钢板实际厚度，决定再继续加热的时间。钢板材质为低碳钢或低合金结构钢时，加热温度为600~800℃，此时钢板表面呈樱红色，加热温度过高，即过热，则容易破坏金属内部结构。

频率选择

根据EFD资料介绍，感应加热矫平方式采用工作频率大约20KHz左右。

加热模式

加热模式采用的自动加热模式，根据钢板的厚度，经过测试，确定加热时间，设置为自动模式下的加热时间参数，

加热工艺

对于船体的甲板与侧壁的感应矫平，一般选取在焊缝附近加热矫平，焊缝的一侧进行，消除凸起和凹陷两种变形，一般需要多次加热矫平，根据感应器区域大小来定。第一次加热，如图12所示。

图12 第一次加热

加热区域选择焊缝的两侧，从外到内，均等分布，均等加热。第二遍加热区域如图13所示。

图13 第二次加热

 这种加热方式，均等、完整、不遗漏，使得加热效果更方便，更好。

 船体侧壁加热（垂直面加热），如图14所示。

图14 垂直面加热

垂直面上的加热，采用钢丝（或者磁铁）带有个平衡器，悬挂感应器单元，进行矫平。

矫正评估

在经过矫正后，矫正的结果是什么样才算合格。一般在热矫正前、中、后，都要对矫正区域的变形量进行测量。与用火焰热矫正相比，感应热矫正的过程是可以更精确的控制的。变形区域的允许变形量为6mm。对热矫正效果的评估，以变形量在误差范围内的结构比例来定。需要注意的是，热矫正的目的不是生产完全平直的甲板，而是生产出误差范围内的甲板。从EFD的资料了解，感应热矫正后有93%~95%的甲板在误差允许范围内；而火焰热矫正后，只有51%~56%的甲板合格。

感应加热与火焰对比

感应加热与火焰相比，解决了火焰加热存在的问题，其优点如下：

1)  可重复加热，可控制加热；

2)  可达20mm厚的钢板完全穿透加热；

3)  失误操作也不会导致材料过热（磁芯材料）

4)  加热区域不会产生有毒气体；

5)  在矫平喷过漆或涂过底漆的地板式减少烟雾；

6)  减少周围材料燃烧的危险；

7)  没有噪声

8)  所有的矫平工作都在板材的同侧进行；

9)  使用简单，减少对熟练工人的要求和对操作水平的依赖；

10)  易操作

11)  减少装配成本

12)  减少了人力与能源的消耗降低了成本，不在需要大量的可燃气体与氧气

总结

本报告主要针对感应加热钢板矫平的工艺进行阐述，并与火焰矫平进行对比，感应加热矫平优势明显，特别是薄钢板的矫平有明显的效果。当前, 在造船行业中, 是惟一个可行的、能够一次取得理想矫正效果的方法。