CN103496206B - 一种正交异性结构超强高韧性三明治板及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正交异性结构超强高韧性三明治板及其制备工艺，其特征在于：由上面板、下面板和波纹芯板胶结而成，上面板和下面板为不锈钢板，波纹芯板为辊压成形或模压成形的、具有多强度级别的、经加热至完全奥氏体化并淬火至马氏体相变的高强度热成形钢板，波纹芯板的抗拉强度为1300MPa-1600MPa；波纹芯板的高度为32mm-100mm，波纹芯板的厚度为1.0mm-4.5mm，波纹芯板的波距为49mm-156mm，上面板的厚度为2.0mm-10mm，下面板的厚度为1.0mm-10mm；三明治板的高度为35mm-120mm，三明治板的宽度为200mm-3000mm，三明治板的长度为1000mm-10000mm。本发明具有成本低，板材防腐耐久性强，粘接强度、韧性高等优点，在轻量化、力学性能以及成本等方面都具有较大优势。
Description
技术领域
本发明主要应用于船舶船体及客舱制造中用于甲板和舱壁代替中厚板结构制造领域，也适用于高速列车、轨道交通车厢地板结构和外壳制造过程，具体地说是一种正交异性结构超强高韧性三明治板及其制备工艺。
背景技术
中厚板、厚板是国内造船行业用于甲板、墙和舱壁的主要建筑板材，厚度范围8-50mm，主要用于确保船舶船体及客舱结构的局部强度、刚度要求，由于其材料密度大（钢的密度7.8g/cm3），厚度大且为实芯结构，导致其面密度大，大量应用影响船舶载重和动力性能。国外部分造船厂采用激光焊接的夹芯结构三明治板代替中厚板，面密度很小，达到轻量化目的的同时保证足够的强度要求，其工艺主要是大功率激光焊接设备将芯板和上、下面板用激光焊接的方式连接起来，一般用于豪华游艇的甲板、舱壁，制作成本较高，焊接性能有限，限制了激光焊接三明治板的广泛发展。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种正交异性结构超强高韧性三明治板及其制备工艺。本发明主要采用涂胶粘接方式实现三明治结构板制备方法，可满足船舶设计使用强度力学性能要求同时实现轻量化。
本发明采用的技术手段如下：
一种正交异性结构超强高韧性三明治板，其特征在于：由上面板、下面板和波纹芯板胶结而成，所述上面板和下面板为不锈钢板，所述波纹芯板为辊压成形或模压成形的、具有多强度级别的、经加热至完全奥氏体化并淬火至马氏体相变的高强度热成形钢板，所述波纹芯板的抗拉强度为1300MPa-1600MPa；所述波纹芯板的高度为32mm-100mm，所述波纹芯板的厚度为1.0mm-4.5mm，所述波纹芯板的波距为49mm-156mm，所述上面板的厚度为2.0mm-10mm，所述下面板的厚度为1.0mm-10mm；所述三明治板的高度为35mm-120mm，所述三明治板的宽度为200mm-3000mm，所述三明治板的长度为1000mm-10000mm。
作为优选，所述波纹芯板的高度为36mm-60mm，所述波纹芯板的厚度为1.6mm-3.0mm，所述波纹芯板的波距为90mm-130mm；所述上面板的厚度为2.5mm-6.0mm，所述下面板的厚度为2.0mm-5.0mm；所述三明治板的高度为40mm-72mm，所述三明治板的宽度为500mm-3000mm。
作为优选，所述波纹芯板采用全覆式涂胶工艺。
本发明还公开了一种正交异性结构超强高韧性三明治板的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
①波纹芯板辊压成形：对开卷后的板料进行校正处理，应用具有回弹补偿的辊压设备对板料进行辊压成形，然后根据工艺获得适宜尺寸对板料切料；
辊压成形主要针对一定厚度的从1.0mm到4.5mm的钢板，能够辊压高强度钢板（一般达到DP700钢材），辊压设备的要求以及成形后板料的精度要求都较高，辊子的寿命满足要求实际生产需求且可根据板材厚度进行更换，设备具有进行回弹补偿的装置以对成形精度进行控制。以对DP700高强度钢2.5mm厚度的板料进行辊压成形为例，平面度精度控制在±1mm内，寿命为能够辊压350-1400km长度产品总量。
②热成形：将切好的波纹芯板在加热炉中加热至完全奥氏体化后，送至波纹形模具内进行模压淬火至马氏体化，通过对加热好的板料进行保压淬火至马氏体化，从而得到超高强度的波纹板（抗拉强度达1500MPa），这一步至关重要，参考钢板热成形工艺，该工艺过程，不仅进一步提高了波纹板的成形精度，而且大幅度提高了材料的力学性能。
将波纹芯板送入中低温炉中回火处理，释放并消除残余应力，提高产品服役性能以及耐久性，改善蠕变以及喷丸工艺带来的回弹影响；对波纹芯板进行喷丸处理，使其表面光洁，进一步释放并消除残余应力。
③粘接组合成形：对波纹芯板和剪裁好的上面板和下面板进行清洗去油污等杂质处理，送入炉中快速烘干，金属表面质量很大程度影响粘接性能及稳定性。采用全覆式涂胶工艺对波纹芯板与上面板和下面板进行保压粘接，根据胶的特性，固化后成形。
其中，胶粘工艺是整个三明治板的核心环节，所述全覆式涂胶工艺是对波纹芯板上、下表面的所有部分进行全覆式涂胶，且为均匀快速涂胶。使用的胶为结构韧性胶，结构韧性胶必须满足下述特性：高韧性、高粘接强度；抗老化、耐化学腐蚀和耐水性能优；可操作时间长；优异的触变性，立面、仰面施工不流淌。满足上述条件的结构韧性胶可选用：YZJ-3灌注型粘钢结构胶、YJS-503环氧灌注粘钢胶、美以达M200粘钢胶，均满足国标GB50367-2006A级胶技术要求。
作为优选，所述加热炉为电感式加热炉，可进行连续高频节能的感应加热，使波纹芯板从常温到900℃以上只需要十几分钟，大大节约时间，提高效率。目前满足条件的电感式加热炉可选用：神光KGPS-GW-1.5-1200/0.75等。
作为优选，所述波纹形模具为设有水冷管道的水冷模具，该模具的型面为最终波纹芯板产品的形状。
作为优选，当需要所述波纹芯板的力学性能级别低时，即所述波纹芯板的屈服强度小于700MPa、抗拉强度小于900MPa时，经步骤①后可跳过步骤②，直接进行步骤③。
作为优选，当需要所述波纹芯板的长度≤3000mm时，步骤①中跳过辊压成形工艺，对校正后的板料进行剪裁后直接进行步骤②。
较现有技术相比，本发明提供的制备工艺首先通过连续辊压的工艺制备方法来生产波纹芯板，再对波纹芯板进行加热到完全奥氏体化然后再通过布置有冷却水道的模具进行淬火保压得到超高强度波纹芯板；然后通过结构韧性胶粘工艺实现钢制金属波纹芯板和钢制金属上下面板的粘接成为三明治板。从而获得具有极高的比刚度、比强度正交异性结构超强高韧性三明治板，该板材的力学及服役性能更远胜于普通的中厚板、厚板（船用中厚板、厚板一般为8mm-50mm，一般强度船体结构用钢分为A、B、D、E4个等级，这4个等级的钢材的屈服强度（不小于235N/mm2）和抗拉强度（400～520N/mm2）一样，只是不同温度下的冲击功不一样），其中就比刚度一项，本发明制备工艺生产出的波纹夹芯结构高出中厚板10-30倍；因此轻量化前景优势明显，可减重20%-55%；本发明提供的制备工艺使得该新型结构板材成本更低，成本降低12%-35%，防腐耐久性强，粘接强度、韧性高；综上，运用本发明的制备工艺制造出来的该正交异性结构超强高韧性三明治板在轻量化、力学性能以及成本等方面都具有较大优势。
本发明具有以下优点：
1)本发明的三明治板结构上是正交异性结构，是结构上的正交异性，其三个主向刚度各不相同，为构造上正交异性结构，在三明治板结构中最主要的两个主向刚度即第一和第二主向刚度优势明显，即长度方向和宽度方向的刚度优势较大，与各向同性结构相比，具有超高的比刚度、比强度。横向对比普通中厚板、普通中厚板加肋板，由于三明治板这样特殊结构所具备的大截面惯性矩，所以三明治板比中厚板刚度大且质量轻；对比中厚板加肋板，刚度一样的情况下质量减轻很多（减重≥50%）；本发明的波纹芯板的抗拉强度可以达到1500MPa，整体的三明治板力学性能更好，密度低，可以实现大幅度轻量化，在船舶制造、高速列车、商用车以及航空航天多个领域中都适用。
2)本发明的三明治板具有超高强度，一般达到抗拉强度1500MPa，可以通过减薄波纹芯板厚度（减薄30%-50%）既能满足力学性能要求，又能减轻质量。
3)本发明的三明治板具有较好的韧性，三明治板的结构是具有高韧性吸能结构，而结构韧性胶具有较为突出的韧性以及吸能特性，这样的三明治板可以承受波浪带来的冲击和爆炸带来的冲击等等。
4)本发明的三明治板具有耐腐蚀的优点，结构韧性胶是耐腐蚀的（在海洋及海岸等地区的耐用年数达到42年），且波纹板以及外板表面是全覆式涂胶，大大增强了耐腐蚀性。
5)本发明的三明治板具有耐疲劳的优点，由于结构韧性胶具有抗疲劳的特点（1000h，强度下降≤10%）胶粘平台的面积较大，相对于另外一种连接方式激光焊接，提供的抗弯、抗剪、抗扭等能力大幅度提升（对比说明：结构韧性胶的剪切强度是30MPa，而激光焊接的剪切强度是150MPa，然而激光焊接的宽度只有1mm左右，而粘接平台的宽度达到15mm以上，评价抗剪能力是剪切强度×面积，这样胶粘三明治板对比激光焊接三明治板力学性能增大了很多倍），由于连接部位的力学性能大大提升，所以相应的耐疲劳性能也增大了许多。
6)本发明三明治板的制备工艺，可以节省大量的成本。激光焊接工艺具有相对低效、成本高以及耗能大的特点，而本发明采取的胶粘工艺替代激光焊接，降低了投资成本，节约能源和耗能成本；同时由于激光焊接一般是要对每一条平台进行焊接，而一块板通常有很多条平台，耗时效率低，而涂胶工艺方便快捷，提高生产效率，进一步降低成本；由于胶本身价格低廉，所以进一步降低了成本。
7)本发明采用的电感式感应加热，具有效率高、低能耗、污染低等优势。电感式加热炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，普通工人用中频电炉上班后十分钟即可进行锻造任务的连续工作，不需提前很长时间进行开启电热炉。由于该加热方式升温速度快（如图6所示，曲线a为电感式加热方式，曲线b为旧式加热方式），所以氧化极少，氧化烧损仅为0.5%，其它加热方式烧损达3%，每吨产品和其它加热方式相比至少节约钢材原材料20-50千克。中频感应加热炉加热速度快、中频炉生产效率高、中频炉氧化脱炭少、中频炉延长模具寿命、中频炉工作环境优越、中频炉提高工人劳动环境和公司形象、中频炉无污染、中频炉低耗能、中频炉节电效果好、烧损少、能耗低、中频炉电加热作业环境好、中频炉启动性能好，空炉、满炉均可达到100%启动。
基于上述理由本发明可广泛应用于船舶船体及客舱制造中用于甲板和舱壁代替中厚板结构，也适用于高速列车、轨道交通车厢结构用于地板和外壳的新型三明治结构板材制造领域，该制造方法成本低廉，性能优异，非常适合造船业的广泛使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的三明治板的结构示意图。
图2是本发明的制备工艺流程图。
图3是本发明的制备工艺中的模具示意图。
图4是本发明的制备工艺中的模具的主视图。
图5是图4中A处的放大图。
图6是本发明的电感加热温度-时间曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种正交异性结构超强高韧性三明治板，由上面板1、下面板3和波纹芯板2采用全覆式涂胶工艺胶结而成，所述上面板1和下面板3为不锈钢板，所述波纹芯板2为辊压成形或模压成形的、具有多强度级别的、经加热至完全奥氏体化并淬火至马氏体相变的高强度热成形钢板，所述波纹芯板2的抗拉强度为1300MPa-1600MPa；所述波纹芯板的高度为32mm-100mm，所述波纹芯板的厚度为1.0mm-4.5mm，所述波纹芯板的波距为49mm-156mm，所述上面板的厚度为2.0mm-10mm，所述下面板的厚度为1.0mm-10mm；所述三明治板的高度为35mm-120mm，所述三明治板的宽度为200mm-3000mm，所述三明治板的长度为1000mm-10000mm。以波纹芯板2厚度1.6mm、上面板1厚度2.5mm、下面板3厚度2.5mm、宽度500mm、三明治板高度46mm、长度1000mm为例，其中三明治板高度很大程度决定了该板的刚度，高度越高，刚度越大，波纹芯板2厚度将决定整体的稳定性、强度，越厚强度越高，但是会增加整体质量，一般综合考虑强度和质量两个方面，决定其厚度。
上述正交异性结构超强高韧性三明治板的制备工艺（如图2所示），包括如下步骤：
①波纹芯板辊压成形：
板料开卷；
平整板料：对板料进行校正处理；
高强度辊压成形：针对一定厚度的从1.0mm到4.0mm钢板，能够辊压高强度钢板（一般达到DP700钢材），辊压设备的要求以及成形后板料的精度要求都较高，一般为满足平面度±1.0mm，辊子是寿命满足要求实际生产需求且可根据板材厚度进行更换，要求满足寿命为辊压800km长度产品，设备具有进行回弹补偿的装置以对成形精度进行控制，高强度钢冷辊压回弹严重，需进行回弹补偿，最终满足平面度±1.0mm。
切料：根据工艺获得适宜尺寸的三明治板原材料，裁剪长度可调，一般为1000mm-10000mm长度。
根据需要制备的三明治力学性能级别，造船用钢板是分级别的，对于一些部位需要加强，所需级别为高级，即钢板的力学性能高，体现在抗拉强度、屈服强度以及厚度等参数。本发明所述三明治板也是分级的，以芯板材料的屈服强度及抗拉强度为基准来分级，其中波纹芯板屈服强度大于700MPa、抗拉强度大于900MPa为高级。当所需级别为高级时，进行波纹芯板热成形，如级别为高级以下，直接进行③粘接组合成形。
另外，当需要所述波纹芯板的长度≤3000mm时，步骤①中跳过辊压成形工艺，对校正后的板料进行剪裁后进行步骤②，即采用模压成形。
②波纹芯板热成形：
电感应加热：连续中、高频节能电感式加热炉可对已经切好的波纹板进行加热至完全奥氏体化，同时运送至下一个加工环节。
模压淬火：设有冷却水道的模具（如图3至图5所示），模具型面形状是最终设计的波纹芯板形状，通过对加热好的板料进行保压淬火至马氏体化，从而得到超高强度的波纹板（抗拉强度达1500MPa）。
回火处理：将波纹芯板送入中低温炉中回火处理，一般回火温度为200℃时回火时间2h为宜，释放并消除残余应力，提高产品服役性能以及耐久性，改善蠕变以及喷丸工艺带来的回弹影响。
喷丸处理：使波纹板表面光洁，进一步释放并消除残余应力，喷丸设备是自动化并且喷丸速度和角度均为可调节，以适当的速度和角度喷丸，最大程度降低喷丸后产品的变形，满足喷丸后波纹芯板的平面度≤±1.5mm。
③粘接组合成形：
材料表面清洗：对波纹芯板和剪裁好的上、下面板表面进行清洗去油污等杂质处理，送入炉中快速烘干，金属表面质量很大程度影响粘接性能及稳定性。
全覆式涂胶：涂胶区域为波纹芯板的全部表面，双面式涂胶工艺，对波纹芯板和上、下面板分别均匀快速涂胶。
保压粘接：波纹芯板与上、下面板保压粘接。
固化成品：依据胶的使用特性，固化成品，得到新型正交异性结构超强高韧性三明治板。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种正交异性结构超强高韧性三明治板，其特征在于：由上面板、下面板和波纹芯板胶结而成，所述上面板和下面板为不锈钢板，所述波纹芯板为辊压成形或模压成形的、具有多强度级别的、经加热至完全奥氏体化并淬火至马氏体相变的高强度热成形钢板，所述波纹芯板的抗拉强度为1300MPa-1600MPa；所述波纹芯板的高度为32mm-100mm，所述波纹芯板的厚度为1.0mm-4.5mm，所述波纹芯板的波距为49mm-156mm，所述上面板的厚度为2.0mm-10mm，所述下面板的厚度为1.0mm-10mm；所述三明治板的高度为35mm-120mm，所述三明治板的宽度为200mm-3000mm，所述三明治板的长度为1000mm-10000mm。
2.根据权利要求1所述的一种正交异性结构超强高韧性三明治板，其特征在于：所述波纹芯板的高度为36mm-60mm，所述波纹芯板的厚度为1.6mm-3.0mm，所述波纹芯板的波距为90mm-130mm；所述上面板的厚度为2.5mm-6.0mm，所述下面板的厚度为2.0mm-5.0mm；所述三明治板的高度为40mm-72mm，所述三明治板的宽度为500mm-3000mm。
3.根据权利要求1所述的一种正交异性结构超强高韧性三明治板，其特征在于：所述波纹芯板采用全覆式涂胶工艺进行全覆式涂胶。
4.一种如权利要求1所述的正交异性结构超强高韧性三明治板的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
①波纹芯板辊压成形：对开卷后的钢板进行校正处理，应用具有回弹补偿的辊压设备对钢板进行辊压成形，然后对钢板切料；
②热成形：将切好的波纹芯板送至加热炉中加热至完全奥氏体化后，再送至波纹形模具内进行模压淬火至马氏体化，再将波纹芯板送入中低温炉中回火后进行喷丸处理；
③粘接组合成形：对波纹芯板和剪裁好的上面板和下面板进行清洗去油污后烘干，采用全覆式涂胶工艺对波纹芯板与上面板和下面板进行保压粘接，固化后成形。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：所述全覆式涂胶工艺是对波纹芯板表面所有部分进行全覆式涂胶。
6.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：所述加热炉为电感式加热炉。
7.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：所述波纹形模具为设有水冷管道的水冷模具。
8.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：当需要所述波纹芯板的屈服强度小于700MPa、抗拉强度小于900MPa时，经步骤①后直接进行步骤③。
9.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：当需要所述波纹芯板的长度≤3000mm时，步骤①中跳过辊压成形工艺，对校正后的钢板进行切料后直接进行步骤②。
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