CN101028634A - 铝镁合金船体水火矫正技术 - Google Patents

铝镁合金船体水火矫正技术 Download PDF

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Abstract

一种铝镁合金船体水火矫正技术，工艺方法为使用氧－乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，具体的工艺参数为：火焰与铝板的距离为20～30mm，火焰的移动速度为1200～1500mm/分钟，火焰与冷却水之间的最小间距为40～60mm。本发明提供的水火矫正工艺已在多艘铝质船上试验实施，对船的外板和内壁进行了变形矫正，它不损伤材质，有效保证了船的线型和铝板的光顺度，并且工效高，由此提高了铝质船的建造质量。

Description

铝镁合金船体水火矫正技术
技术领域
本发明属于变形矫正领域，是对铝质船体外壳或内壁给以矫正光顺或平整的一种技术。
背景技术
以铝合金作为船体结构材料，能大幅减轻船体重量，从而在相同的主机功率下可提高航速，它一般用于高速船。国内近几年有部分船厂开始建造铝质高速船，从而打破了高速船只依赖进口的状态。
作为造船的铝合金材料，当前国内外铝质高速船普遍采用5083H321或H116的铝镁合金，它经过冷作硬化处理，强度高，容重轻(2.66t/m3)，但它的线膨胀系数大，比钢材大一倍，因而建造过程中船体极易产生变形。
由于高速船往往采用新船型，有些船型线型复杂，选用的板材较薄，建造中即使采用约束工装，变形仍较大，这不但影响船体线型，而且外形也不美观，因此采用何种方法矫正船体变形是铝质船建造中的一个重要问题。这种方法必须以不损害材料的化学成分和力学性能(见表一、表二)为前提，并且材料的金相组织也不应受影响。
                      表一  5083H321或H116铝板的化学成分
  化学成分 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
％ ≤0.4 ≤0.4 ≤0.1   0.4～1.0   4.0～4.9   0.05～0.25 ≤0.25 ≤0.15
  表二  5083H321或H116铝板的力学性能
  屈服强度σ0.2MPa   抗拉强度σbMPa   伸长率δ％
  ≥215   ≥305   ≥10
目前，国外对铝船建造中产生的变形，如“瘦马”现象或板的不平整，大都采用堆焊技术或者用砂轮打磨“瘦马”的方法，以消除一些变形。堆焊技术是在壳板内部用焊丝堆焊在壳板上产生的热量使船体局部变形得以矫正，其缺点是无法用水冷却，容易使材料损伤，而且堆焊物一般留在船壳板不去除，美观性差。砂轮打磨主要是对船体板架骨材鼓起的“瘦马”现象，用角向磨光机对鼓起部分进行砂轮磨削，以达到消除部分“瘦马”的目的，这种方法的缺点是削弱了板材的厚度。
水火矫正技术是一种传统的消除船体变形的方法，但它仅适合于钢质船，对于铝质船，无论在国外或国内都是禁用或慎用的。关键是由于铝镁合金熔点低，仅660℃左右，传统的水火矫正技术在矫正铝船变形时很容易过烧而材料受损。我国“海上高速船入级与建造规范”中明确规定，铝合金即使焊前预热(50℃±10℃)也不宜采用氧-乙炔火焰加热方法。因此，对使用温度更高的水火矫正规范上不提倡使用。
为了解决上述问题，本发明尝试提供一种新的适合于铝合金的水火矫正的工艺方法和工艺参数，进行水火矫正时不损害材料的化学成分、力学性能和金相组织，使过去只适合于钢船的水火矫正技术也能运用到铝船上。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于消除铝镁合金船体变形的新的水火矫正技术，尤其是适于消除用5083H321或H116铝合金做船体材料的船体变形的水火矫正技术。
一种铝镁合金船体水火矫正技术，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其特征在于火焰与铝板的距离为20～30mm，火焰的移动速度为1200～1500mm/分钟，火焰与冷却水之间的最小间距为40～60mm。
在氧-乙炔火焰矫正时，冷却水应紧随火焰之后，使加热后的铝板温度急剧下降，以形成不可逆的塑性变形来达到矫正的目的。
在进行水火矫正技术之前，应该根据船体变形的具体情况确定加热方式：如对凹进或鼓起的船板，可采用圆点加热进行变形矫正；对板架“瘦马”现象，则一般采用骨架背面线状加热进行矫正。
铝合金板的厚薄以及线状加热和圆点加热工艺的选取对水火矫正主要参数的选取有一定的影响。上述的铝合金板的厚度在3mm～12mm之间，已满足了排水量300吨以下的铝质船船体的使用要求。由于铝合金熔点低，加热后表面颜色不起显著变化，因此加热时应随时用测温笔测量加热区的温度。在加热过程中应该保证铝合金板的温度在一定的数值范围内，对于线状加热，铝合金板的温度应该保证在155～175℃之间，优选165～175℃之间，对于圆点加热，3mm～7mm厚的铝合金板，加热温度应该保证在230～290℃之间，优选240～250℃之间，7mm～12mm厚的铝合金板，加热温度应该保证在220～230℃之间，优选225～230℃之间。
在水火矫正时，如需敲击，由于铝合金硬度较低，严禁用铁锤，应使用木槌。敲击位置应由加热区外缘移至中心。
在实施船体变形水火矫正技术时，为了避免由于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和轴同时进行；在高度方向，则应自下而上进行。经水火矫正的结构应表面光滑平顺，不应有残留的局部不平以及槌印。
为控制火焰热量及冷却水的冷却速度，一般采用氧-乙炔混合气体及中号喷嘴作为加热工具。使用带操纵开关的小号自来水皮管作为冷却水工具。
本发明是建立在薄板和厚板充分的试验研究基础上，并且还与国外常用的堆焊技术作对比试验，研究了本工艺和常规的堆焊技术对铝合金板和化学成分和力学性能进行了评价，试验结果见表三和表四。
                                         表三  受试板的化学成分
板厚   加热温度(℃)   Si(％)   Fe(％)   Cu(％)   Mn(％)   Mg(％)   Cr(％)   Zn(％)   Ti(％)
  水火矫正4mm(圆点加热)   240-250   0.07   0.19   ＜0.02   0.61   4.50   0.06   ＜0.02   ＜0.02
  260-270   0.07   0.18   ＜0.02   0.59   4.56   0.05   ＜0.02   ＜0.02
  280-290   0.07   0.18   ＜0.02   0.61   4.53   0.06   ＜0.02   ＜0.02
  水火矫正10mm(圆点加热)   240-250   0.08   0.19   0.05   0.62   4.61   0.05   ＜0.02   ＜0.02
  260-270   0.08   0.19   0.05   0.62   4.58   0.05   ＜0.02   ＜0.02
  280-290   0.08   0.18   0.05   0.61   4.50   0.05   ＜0.02   ＜0.02
  堆焊4mm 240-250 0.06 0.12 ＜0.02 0.60 4.30 0.06 ＜0.02 ＜0.02
  堆焊10mm   210-220   0.06   0.12   0.02   0.60   4.54   0.06   0.02   ＜0.02
由表三可以得出：在受试的铝材中，不管是厚板还是薄板，只要加热温度不超过290℃，它的化学成分都在表一正常范围以内，说明加热只要控制在规定温度以下，材料的化学成分不起有害的变化。
由表四可以得出：薄板(4mm)无论是线状加热(温度达175℃)或圆点加热(温度可达290℃)，都能满足表二的强度要求；厚板(10mm)线状加热至175℃仍能满足表二的强度要求，圆点加热在230℃以下能满足表二的要求。但是对于国外采用的堆焊技术，受试板强度不满足表二的要求。另外从表四也可以看出，随着加热温度的提高，铝板的强度随之下降。
                             表四  受试板的力学性能
板厚   加热温度(℃) 屈服强度σ0.2MPa   抗拉强度σbMPa   伸长率δ％
  线状加热4mm   150-155 245   350   13.0
  170-175 235   345   14.5
  线状加热10mm   150-155 235   315   13.0
  170-175 220   305   14.5
  圆点加热4mm   240-250 240   350   21.5
  260-270 240   345   23.5
  280-290 215   320   23.0
  圆点加热10mm   220-230 220   320   16.5
  240-250 188   305   17.5
  260-270 181   305   20.0
  280-290 166   300   21.0
堆焊4mm   240-250 205   320   10.5
  290-300 205   310   10.0
堆焊10mm   210-220 200   310   13.0
  225-235 185   315   13.0
以上受试板加上其它受试板均作金相组织检验，金相组织的微观照片见附图9～12所示，从图中可以看出，加热到250℃后的材料与母材相比，它们的晶粒长大及化合物聚集长大趋势不明显，金相组织与原母材相同，由此可见，采用本发明提供的水火矫正工艺不会改变铝合金的金相组织。
使用上述的工艺方法对5083H321或H116铝镁合金进行水火矫正，不会对材料造成损伤。而国外采用的堆焊矫正技术，用于铝镁合金要降低材料的力学性能。
本发明提供的水火矫正工艺已在多艘铝质船上试验实施，对船的外板和内壁进行了变形矫正，它不损伤材质，有效保证了船的线型和铝板的光顺度，并且工效高，由此提高了铝质船的建造质量。
附图说明
图1为板架的“瘦马”现象的矫正中板架的正视图
图2为板架的“瘦马”现象的矫正中板架的侧视图
图3为板架的“瘦马”现象的矫正中板架的俯视图
图4为板架的凹凸现象的矫正中板架的正视图
图5为板架的“瘦马”现象的矫正中板架的侧视图
图6为板面局部鼓起现象的矫正中受矫板的正视图
图7为板面局部鼓起现象的矫正中受矫板的侧视图
图8为水火矫正流程示意图
图9为4mm母材的金相组织微观图
图10为4mm母材加热到250℃的金相组织微观图
图11为10mm母材的金相组织微观图
图12为10mm母材加热到250℃的金相组织微观图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1～3所示是船体外板或上层建筑处经常遇见的骨架焊接处鼓出的“瘦马”现象。铝质船“瘦马”鼓出甚至可达3mm，其矫正程序见图8。矫正方式采用线状加热，采用氧-乙炔混合气体及中号喷嘴作为加热工具，并使用带操纵开关的小号自来水皮管作为冷却水工具，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其中火焰与铝板的距离为30mm，火焰的移动速度为1500mm/分钟，火焰与冷却水之间的最小间距为40mm，控制加热温度在170～175℃，对B型骨架的背面沿着骨架线进行背烧，对A型骨架背面沿着骨架线两侧进行背烧。矫正后的板架，其骨架背面处凸出与两侧板过渡平顺，大大缓和了“瘦马”现象。
实施例2
如图4～5所示为板架的起伏波浪变形，经常在铝质船船体薄板结构中出现。波浪的“峰”与“谷”间距可达15mm甚至25mm，此种变形矫正方式同样采用线状加热为主进行。采用氧-乙炔混合气体及中号喷嘴作为加热工具，并使用带操纵开关的小号自来水皮管作为冷却水工具，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其中火焰与铝板的距离为25mm，火焰的移动速度为1400mm/分钟，火焰与冷却水之间的最小间距为50mm，控制加热温度在165～170℃。第一阶段，在凸出面的两侧骨架处，用线状加热法进行背烧，逐渐平行移向凸出高处。第二阶段，在凹入面的骨架之间用线状加热法进行背烧，同样是由骨架处移向凹处。其矫正程序见图8。矫正后的板架变形量可小于4mm，达到船体表面光顺要求。
实施例3
参照图6～7所示，为船体局部鼓出的变形，铝合金板的厚度为6mm，可采用圆点式加热方式进行水火矫正，采用氧-乙炔混合气体及中号喷嘴作为加热工具，并使用带操纵开关的小号自来水皮管作为冷却水工具，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其中火焰与铝板的距离为20mm，火焰的圆周移动角速度为120°/秒，火焰与冷却水之间的最小间距为60mm。加热温度控制在245～250℃。圆点的直径D＝4t+10mm(t表示板厚)，但不超过60mm，a＝200～400mm，b＝100～200mm。加热由变形小的处所开始，顺次向变形大的地方移动，加热过程中应辅以木槌敲击，以促其加快收缩。矫正程序见图8，矫正后的变形h可小于4mm(在一档肋距内)，达到船体表面光顺要求。
实施例4
船体局部凹进的变形，铝合金板的厚度为10mm，可采用圆点式加热方式进行水火矫正，采用氧-乙炔混合气体及中号喷嘴作为加热工具，并使用带操纵开关的小号自来水皮管作为冷却水工具，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其中火焰与铝板的距离为22mm，火焰的圆周移动角速度为90°/秒，火焰与冷却水之间的最小间距为45mm。加热温度控制在220～225℃。计算方法参照实施例3，加热由变形小的处所开始，顺次向变形大的地方移动，加热过程中应辅以木槌敲击，以促其加快收缩。矫正程序见图8，矫正后的变形可小于4mm(在一档肋距内)，达到船体表面光顺要求。

Claims (7)

1.一种铝镁合金船体水火矫正技术，工艺方法为使用氧-乙炔火焰对铝板进行加热，并随后用水冷却，其特征在于火焰与铝板的距离为20～30mm，火焰的移动速度为1200～1500mm/分钟，火焰与冷却水之间的最小间距为40～60mm。
2.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于在进行水火矫正技术之前，应该根据船体变形的具体情况确定加热方式：对凹进或鼓起的船板，采用圆点加热进行变形矫正；对板架“瘦马”现象，采用骨架背面线状加热进行矫正。
3.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于加热气体为氧-乙炔混合气体，加热工具为中号喷嘴，冷却水工具为小号自来水皮管。
4.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于对于线状加热，铝合金板的温度应该保证在155～175℃之间，优选165～175℃之间。
5.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于对于圆点加热，3mm～7mm厚的铝合金板，加热温度应该保证在230～290℃之间，优选240～250℃之间，7mm～12mm厚的铝合金板，加热温度应该保证在220～230℃之间，优选225～230℃之间。
6.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于在水火矫正时应使用木槌，敲击位置应由加热区外缘移至中心。
7.根据权利要求1所述的铝镁合金船体水火矫正技术，其特征在于矫正操作应对称于船体中线面和剖面中和轴同时进行；在高度方向，则应自下而上进行。
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