水火弯板工艺力学

水火弯板的工艺方法和特点

水火弯板也称为线状加热冷却成型（line heat forming），是利用金属板局部受高温冷却后产生的 局部热弹塑性收缩变形而达到整体弯曲成型等工艺。 局部高温通常由氧乙炔焰或激光热源、高频热源等 在金属表面加热来获得，冷却过程可以分为正面水 冷（横向收缩大，角变形小，适用于收边加热方 法）、背面水冷（横向收缩和角变形都大，高效的 火焰成型方法）和空冷（对成型效果不大）等。

基于以上原因，必须要开发船体曲面钢板水火加工 成型自动化系统。 目前国内从事这方面工作（20世纪80年代）的主要 有：大连理工大学和大连造船厂，上海交通大学和 广船国际，哈尔滨工业大学等单位。 国际上（20世纪50年代）日本东京大学开发了旨在 对青年工人技术培训的水火弯板计算机模拟系统， 大阪大学开发了水火弯板计算机辅助设计系统。. 本章注重定性的分析，定量分析少（热弹塑性—有 限元模拟为主）
水火弯板的工艺力学
参考书籍：《钢板的水火弯曲与矫形》张关明 《船舶建造工艺力学》纪卓尚
船舶水火弯板技术的应用和发展
各种船舶的外表面大都是由复杂的、不可展 的空间曲面构成，把钢板加工成这样的曲面，目 前世界各国造船厂采用的方法都是线状水火加工 工艺（水火弯板），即首先把钢板在滚床上加工 成筒形，然后对钢板边缘（或中间）用氧乙炔焰 （或激光热源、高频热源）进行线状加热到红热 状态后再浇水急速冷却，使钢板发生局部收缩变 形，形成所需要的三维曲面。

以钢板为例：当钢板受到局部点加热时，加热点的 温度急剧上升，该部位的钢材会向四周膨胀．为讨 论方便起见，先假定在厚度方向上受到的加热是均 匀的，并将厚度方向上的变形情况暂时搁置。那么， 当加热点的四周没有约束时，在加热点的径向就会 有相对伸长λ ，λ 值的大小与加热温度成正比。
实际上加热点四周并不是无约束。由于钢材受到 的是局部点加热，加热部位的四周依然处在加热前的 温度，并有一定的刚性，那么周围的钢板势必会阻碍 加热部位的变形。若把加热点周围看作是刚性固定(由 于加热部位和周围钢板的温度差较大，这种假设是可 以成立的)，加热部位将受到压缩，并产生弹性压缩变 形，其相对值恰好等于相对伸长λ ，且和加热温度T成 正比；
当加热过程终了，加热部位开始冷却时，恰巧与加 热时的情况相反，该部位要开始收缩。为叙述方便， 分两种情况加以讨论。 一、当加热温度在100一200℃范围内，加热、冷 却时变形和应力的变比情况如图所示(图中剖面线部 分为弹性变形区)。当冷却开始后首先是加热区的弹 性变形量回复，使 E 部分消失；温度继续下降，加 热部位继续收缩，由于冷却时的线胀系数与加热时 的线胀系数相等，加热和冷却终了的相对变形量的 绝对值也应该相等，即：

加热线布置示意图（箭头方向为加热线方向） a、b、c、d分别为柱面板、球面板、帆形板、鞍形板
从水火弯板工艺相反的角度观察，由曲板展开后的 形状可知，如要获得设计的曲面，只要将展开后的 裂缝处两边全部连接起来，也就是是裂缝消失才可 以达到要求。这样，可以确定金属板局部受高温冷 却后会产生的局部弹塑性收缩变形量，为不可展曲 面金属板的成型提供了可行的方法。 这些裂缝的宽度就是设计的曲面板所要求的必须的 局部收缩量，也就是说，通过火焰的局部加热和冷 却的工艺工程，使被加工的金属板局部收缩到所必 须的变形量。
水火弯板的经验性显得非常重要，随着有经验工人 的老龄化，而青年工人在短时期内还难以掌握这项 加工技术，水火弯板加工已成为影响造船速度和质 量的一个瓶颈。 缩短建造周期、降低造船成本、转换造船模式、提 高造船质量是造船厂在国际竞争中取胜的重要保证， 而单凭手工操作经验来完成复杂的工艺过程，无论 在速度上还是在质量上都远远满足不了现代化造船 生产的需要。 在造船厂努力实现钢板弯曲自动化工程中，弄清水 火弯板加工机理是非常重要的，为达到曲面钢板自 动加工成型这个目标，必须明白在钢板局部加热过 程中复杂的热弹塑性变化过程。

由于钢材的屈服点是随着温度变化而变化的，因此 s 也同样随着温度的升高而下降，如图1—1—1所 示．从图中可以看出，当加热温度在0—200℃范围内， 温度升高，屈服点几乎稳定不变，约为 2.3536×108Pa(2400kgf／cm2)；在200一700℃范围 内，随着温度的升高，屈服点急剧下降，700℃时的 屈服极限仅为1.961×107Pa(200kgf／cm2)，在温度超 过700℃以后屈服点的下降又趋于缓慢，一直到钢材 溶化，1300℃时屈服极限才为零。因此一般总是把 700℃视作是钢材加热温度的转折点，而把700 ℃时的 屈服极限看作零，工程实际中这样做具有足够的精度。
二、当加热温度超过700℃时．与上述情况稍有不 同，如图所示。 由于当加热温度超过700℃， E 0 ，弹性变 形部分逐渐消失，整个加热过程终了时的相对变形 量 热 全部是塑性变形量；而当冷却过程开始时随着 温度的下降，因为 E 0 ，所以并没有产生弹性拉 伸变形，而是塑性变形的回复，一直到温度降低到 700℃以下时，钢材才有抗拉强度，从而开始逐渐 产生弹性变形区和塑性变形区，弹性变形量随着温 度的下降而逐渐增加，直到温度降到200℃以下时， 弹性变形量才为恒值，到冷却过程终了时，无论加 热到多高温度，总的变形量实际上就是钢材加热到 700 700℃时的塑性变形量

船体曲面钢板水火加工成型工艺（也称“水 火弯板”）是随着造船技术的不断革新和进步而 后兴起的一种曲板热冷加工成型技术。由于这种 钢板的尺寸大（板长10m以上，板宽3m），厚度 变化大（几毫米到三十几毫米），影响钢板局部 变形的因素多（加热线长度、火焰移动速度、加 热线距离、冷却方法、钢板的材质、热源的变化 等），因此说，水火弯板是造船生产中技术性强、 难度大、最具特色的一种经验性的加工方法。目 前不仅中国，就是世界上主要造船国家这项加工 还都停留在由有经验的熟练工人手工操作完成的 技术水平上，此项工艺过程对经验和手艺依赖性 极大，效率低、成本高、质量不稳。

水火弯板的力学研究方法



水火弯板的工艺过程是金属板局部的瞬态热弹塑性变形过程， 而且影响金属板局部瞬态温度场的因素也比较多（其中一些 因素难以确定），所以导致金属板的局部变形比较复杂。 第一步：定性研究。根据金属板的材质和强度要求，限定金 属表面的最高温度（美国航运局确定水火弯板加热温度的限 制标准—最高温度应控制在650摄氏度）；根据不同加热线 形状，确定较好的冷却方法；研究主要工艺参数对成型效果 的影响规律。 主要是在实验室中通过实验开展研究，定性找出不同加工方 法对变形的影响规律，制定工艺规程，规定某些工艺参数的 应用范围。

因此，当加热温度在100一200℃之间时，弹性变形 量 E 为一恒值，塑性变形量 T E 和温度呈线性关 系，而在200一700℃范围内加热时，总的相对变形 量依然和温度呈线性关系，可是 E 却随温度升高急 剧下降，导致弹性变形量急剧下降，而塑性变形量 急剧增加；当温度守700℃以上加热时，钢材便处 于全塑性状态( E 趋向于零)，随之弹性变形量及 热应力也全部消失，塑性变形部分由于受到周围常 温钢材的制约也无法变形，加热点在径向既不受应 力，也没有尺度的变化。
水火弯板的成型原理
众所周知，钢材和其他所有的材料一样，都具有热
胀冷缩的性质。当钢材受到均匀加热时，由于钢材 三向的线膨胀系数相同，钢材便均匀地膨胀。同样， 在均匀冷却时，钢材便均匀收缩。在均匀加热以后 又均匀冷却，由于受热和冷却时的线胀系数绝对值 相同，符号转反，所以，加热—冷却过程终了时并 不会引起钢材的变形，这是钢材的特性。 可是，当 钢材受到不均匀的局部加热时，情况就完全不同了。



第二步：对水火弯板加工过程中工艺参数影响变形参数的定 量分析。水火弯板数学模型的建立和完善；不可展曲板的最 佳展开方法；水火弯板计算机模拟方法等。 谈过定量分析的研究方法，积累足够多的实船板的加工数据， 对水火弯板的变形机理和模拟方法进行研究，找出工艺参数 对变形参数的定量的影响关系，建立一套比较完整的数学模 型，完成计算机辅助水火弯板工艺参数的软件系统。 第三步：水火弯板数控系统的研究阶段。水火弯板专家系统； 水火弯板人—机交互控制系统；水火弯板自动控制系统。 根据船厂实际需要，选择半自动化或自动化弯板机为公关目 标，形成数控系统。

显而易见，冷却终了的残余变形远远小于此值，因此， 认为加热—冷却过程终了会导致钢材的破坏是完全没 有道理的，况且加热区周围的约束并不是绝对刚性的， 由于加热部位有残余应力的存在，总会导致钢材的总 体变形，从而使冷却后的加热区残余变形量减少，并 使残余应力也相应有所减小，因此实际加热区的残余 700 变形量总小于 。所以可以认为钢材局部加热及冷 却过程是不会导致钢材的破坏的。 以上的讨论是在假定钢板沿厚度方向受热均匀的基础 上进行的，因此没有计及加热—冷却过程在厚度方向 上的变形。实际止钢材总有一定的厚度、当加热在钢 材表面进行肘，沿厚度方向的温度分布并不均匀。


当温度降低100℃， E 全部消失，继续冷却，加热点 将继续向里收缩，周围的钢材却又会进一步阻碍这 种收缩，而使加热部位产生拉应力，以及弹性拉伸 变形。从田中可以看出，冷却终了时，加热部位的 拉伸变形量正好是加热时所产生的塑性变形量。
热

当加热温度超过200℃时，由于加热时的塑性变形 量 热 E E ，那么冷却终了时不仅会产生弹性变 形 E ，而且会产生塑性变形 E 。
水火弯板只适用于曲率较小的构件成型，更多的是 与滚压相结合用来加工具有双重弯曲的复杂形状的 构件。 根据加热方式分类有带形加热和点状加热。 水火弯板的工艺主要有：烤嘴的选择，加热温度和 加热速度，冷却方式。 水冷是用水强迫冷却已加热部分的金属，使其迅速 冷却，减少热量向背面传递，扩大了正反面的温度 差，而提高成型效果。 空冷是在火焰局部加热后，工件在空气中自然冷却 的工艺过程。

在加热过程中，当：
式中： s ——钢材达到屈服极限时的相对伸长量。 加热部位相对伸长变形纯粹是弹性变形，受到周围 钢板的制约所产生的压缩变形也在弹性范围以内， 加热部分冷却以后，依然可以回复到加热以前的初 始状态。 而温度进一步升高，使

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加热部位除弹性变形以外还出现了塑性变法。显然， E 此时的相对伸长量由弹性变形 和塑性变形 T E 两部分组成。 设 T E 0 此时的相对温度 T 称为临界温度，由 TC 表示

水火弯板的工艺过程： 通过对曲面板整体形状的观察，首先估算出各部分 所需的收缩量； 然后再进一步考虑如何布置加热线，确定其他工艺 参数； 加工过程中，根据总体变形情况，修改工艺参数； 对于常见形状的曲面板，成功率和加工效率比较高； 曲面复杂时，要反复思考，经过几遍加工才能完成。
E TC

此时应变可以由应力与弹性模量得到，于是应力 应变在0-200摄氏度时的临界温度可以由下式求出：
E E 2.3536 108 Pa o TC 100( C ) 11 5 E 1.96110 1.2 10

这就是说，当钢材局部加热温度超过100℃时，则 相对伸长量λ就由弹性变形和塑性变形两部分组成； 弹性变形部分内于受到周围钢材的约束，使加热区 受到向里压缩的热应力；而塑性变形部分则由于受 到周围的制约，全部被压缩掉，不能产生加热区直 径方向的变形。。

常见船体曲面展开后形状（柱面板和球面板）
水火弯板工艺的复杂性体现在 影响金属板局部收缩变形的参数较多，如火焰的移 动速度、加热线的长度、加热线的距离、板的几何 尺寸、冷却方法、火焰的功率、喷嘴尺寸、喷嘴离 板表面的距离、金属板材质、气温、加工钢板的边 界支撑条件等。 由于钢板局部热弹塑性变形机理复杂，所以加工过 程中的热交换条件（包括现场温度变化、环境因素、 天气因素）等难以准确模拟。

至此，自然会提出这样一个问题，冷却过程终了时， 加热部位会产生等于拉伸屈服极限的残余应力，且 700 有 的残余拉伸变形，那么是否会导致材料的破坏 呢? 其实即使把加热区周围看作刚性固定，加热到 700℃高温时，总的塑性变形量：


冷却终了时，弹、塑性变形量的总和：
而对3C钢来说，达到强度极限时的拉伸变形相对伸 长量：