火焰矫正工艺的基础原理.pdf

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1、火焰矫正工艺的基础原理 火焰矫正工艺的 基础原理 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 103.06.13 12:02 02火焰矫正工艺的基础原理 LINDOFLAMM 是林德集团的注册商标。 火焰矫正工艺是一种可以迅速消除焊接结 构的变形而不会对材料构成任何损伤的工 艺技术。下文主要关注火焰矫正的基本原 则、所需的设备和气体，以及针对不同种 材料的火焰矫正技术。 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 203.06.13 12:02 03火焰矫正工艺的基础原理 内容 01.简介4 02.应力

2、外力收缩5 03.工件上的热冲击7 04.火焰矫正的原则9 05.火焰矫正可以应用于哪些材料？10 06.应用于火焰矫正的燃料气体12 07.应用于火焰矫正的割（焊）炬14 7.1.火焰矫正用割（焊）炬的设计14 7.2.火焰矫正火用割（焊）炬的选型14 08.用于矫正操作时的火焰设置和指南16 09.用于缩短或弯曲部件的基本加热方法18 9.1.用于缩短的中心型加热或对称型加热18 9.2.用于弯曲的不寻常型或非对称型加热18 10.应用于火焰矫正的加热技术20 10.1.采用点加热来矫正薄板20 10.2.采用椭圆形加热来安装管路系统21 10.3.采用线形加热来去处凸出变形22 10.4

3、.加热楔子23 11.热膨胀的拘束24 11.1.对薄型材的膨胀进行拘束的夹具25 11.2.对钢板、管材及其他结构的膨胀进行 拘束的夹具26 12.火焰矫正之后的冷却27 13.针对不同材料的火焰矫正技术28 13.1.碳钢、细晶粒结构钢和热作模具钢28 13.2.高合金奥氏体不锈钢28 13.3.镀锌部件28 13.4.铝和铝合金28 14.火焰矫正的工艺流程29 15.所有氧-乙炔工艺的气体供应选项30 16.割（焊）炬的操作以及安全方面的31 注意事项 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 303.06.13 12:02 04火焰矫正

4、工艺的基础原理 焊接和其他的制造工艺中将热量传导到金属中，随后冷却时应力被保 留下来，导致变形或扭曲。火焰矫正工艺是用来矫正这些扭曲部件的 一种历史悠久的、高效的方法。 火焰矫正工艺基于这样的物理原理：即金属材料会热胀冷缩。如果膨 胀受到拘束，那么压应力就会产生，如果加热温度足够高，会导致产 生塑性内部变形。而冷却时，塑性变形量将保留下来。 在实际生产中，采用氧-乙炔火焰来迅速加热工件上的指定部位。冷却 时金属的收缩量比它受热时的膨胀量要更多，因此任何相关的扭曲变 形可以得以矫正。适合火焰矫正工艺的材料包括钢、镍基合金、铜合 金、黄铜和铝合金。 尽管不同类型的燃料气体都可以用于火焰矫正，但只有

5、氧-乙炔才能实 现最高的火焰温度和火焰密度，从而实现快速加热。 如何选择合适的设备取决于材料的类型和厚度。原则上，针对薄板和 厚度不超过25mm的钢板，可使用在大部分工厂都常见的标准割炬来 进行矫正。针对大面积钢板的火焰矫正例如船甲板和甲板舱，应使用 3只或更多的可调节的单火焰割嘴，装在可在大面积范围内轻易移动 的小轮车上。针对更厚的钢板，请使用LINDOFLAMM特制割炬。 01.简介 自动化火焰矫正解决方案 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 403.06.13 12:02 05火焰矫正工艺的基础原理 ?(%) ?= ? / l ol

6、图1：碳钢的应力-应变曲线 02.应力外力收缩 在关于火焰矫正的讨论中，对”应力”这个术语经常有错误的解释，这 个词在客户中间造成了某种焦虑。在火焰矫正中，位于部件上的应力 是覆盖分布的。调查表明火焰矫正可降低部件中的残余应力。 应力是什么？它们是如何产生的？ 如果一个部件置于外力作用下，其每个截面都会产生反作用力。应力 指那些没有变形的截面其单位面积上所承受的那部分力。外力都会产 生应力，无论是可对工件产生巨大冲击的外力或是无法造成塑性变形 的外力。 应力有什么影响？ 应力导致塑性变形，和/或导致部件的内应力状态（对于敏感的材 料，有产生应力腐蚀的风险）。 如何来影响应力？ 可以通过外观尺寸

7、的矫正措施例如热处理或机械处理来影响应力。 如何来使用应力？ 应力可以用来硬化部件的截面，和/或降低承受载荷时工件的尺寸偏 差。 部件因焊接或火焰矫正而导致的变形机理是类似的。在这两种应用 中，都发生了局部受限的热输入，然后导致了受热区域的膨胀。 受热区域相邻的冷区域拘束了其膨胀，导致了受热区产生了压缩内部 变形。 为了促进受热区域的塑性变形，必须达到这种材料的屈服极限，此种 极限稍高于弹性极限。为实现这个塑性变形，需要一个外力结合工件 外形引起流动过程并产生超越弹性极限之上的应力。关于这些相关 性，请查看图1。 屈服极限 断裂强度极限 抗拉强度极限 弹性极限 应变 火焰矫正区间 最大许用工作

8、应力=/1.5 0.1 0.2 比例极限 (胡克定律的适用范围E=x3) 应力 (N/mm2) s E Re Rm Bmax.o=F/A P Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 503.06.13 12:02 06火焰矫正工艺的基础原理 那些在焊接冷却之后没有变形或仅有轻微变形的部件处于高水平的焊 接残余应力之下，这是因为收缩的应力没有导致部件的变形。 这些收缩应力可能经过之后的动载或机械加工才会释放出来，应力释 放后将导致所不期望的变形。 焊接之后释放的应力导致了变形，这意味着残余焊接应力水平很小， 部件将保持稳定。 焊接过程会有4种收缩

9、应力产生，取决于刚性水平，这4种应力所导致 的扭曲变形都是可见的。 必须综合考虑焊接参数如焊接方法、焊缝数量、以及对单位长度焊缝 所施加的能量，以便来影响残余焊接应力。必须制定并执行焊接之后 的跟进措施。 后续应该考虑采取下面的以下措施降低应力： 1) 热工艺 在炉子中低应力退火 火焰加热 采用加热元件加热 感应加热 2) 机械工艺 间歇性的机械过载 振动去应力 锤击 喷丸处理 火焰去应力 火焰矫正 火焰矫正工艺被划分为机械工艺，是因为火焰矫正工艺导致的膨胀产 生了对工件有冲击的外力，然后在工件中产生了应力。 超过弹性极限之后就会在工件上产生塑性变形，这是不可逆的变形。 L纵向收缩 Q横向收缩

10、 D厚度方向收缩 W 角变形 图2：焊接过程中的收缩类型 D w D QQ L L Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 603.06.13 12:02 07火焰矫正工艺的基础原理 03.工件上的热冲击 当部件被焊接在一起时，材料因承受热输入而产生膨胀。而低温区域 会拘束这个膨胀然后材料就产生了塑性压缩内部变形。当焊缝金属冷 却时，焊缝会收缩，母材上的热影响区也会收缩。这些收缩的叠加就 导致了部件变形。 火焰矫正工艺采用类似的方法来消除这样的变形，即通过将热量传导 到部件上不同于焊接位置的部位。过长的部件需要专门加热。塑性内 部变形得到了拘束

11、，并在冷却时导致尺寸外形的变化。 这个工艺可以通过图3中所示的一个T型接头来解释：首先，双面角焊 缝焊接，然后腹板以及翼缘上的焊缝和热影响区会收缩，从而导致翼 缘上产生一个角变形。 火焰矫正通过在角焊缝背面采用线状加热法，在那些翼缘需要被缩短 的点上来进行加热。所需加热线的数量取决于变形情况、工件的尺寸 以及其残余应力水平。 不同的材料在火焰矫正中的行为方式不同，取决于材料本身的特性以 及其热膨胀行为。具有高膨胀系数的材料倾向于在加热阶段急剧地膨 胀。如果这个膨胀收到拘束的话，就会产生特别严重的压缩塑性内部 变形。而冷却时收缩的性能也是相对不同的。表1中提供了常见材料 的热膨胀特性。 图3：焊

12、后的T型接头及其火焰矫正 焊缝以及热影响区 火焰矫正后的T型粱 加热线 焊后的T型接头 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 703.06.13 12:02 08火焰矫正工艺的基础原理 表1：不同种材料的膨胀行为 材料牌号膨胀系数 (mm/mK) 膨胀量 (mm) 碳钢 锅炉用钢 钢轨用钢 S235JR S355JO P265GH 16Mo3 13CrMo4-5 0.0110.014 细晶粒结构用钢 热作模具钢 S355N S890QL S355M S460M 0.0120.015 镍基合金材料2.4360 NiCu30Fe 2.4602 N

13、iCr21Mo14W 2.4856 NiCr22Mo9Nb 0.0100.014 奥氏体不锈钢1.4404 X2CrNiMo17-22-2 1.4301 X5CrNi18-10 1.4541 X6CrNiTi18-10 0.0160.019 纯铝 0.0200.024 适用于焊接的非时效硬化的 锻造合金 ENAW-3103 Al Mn1 ENAW-5754 Al Mg3 ENAW-5083 AlMg4,5Mn0,7 适用于焊接的时效硬化的 锻造合金 ENAW-6005A Al SiMg(A) ENAW-6082 Al Si1MgMn ENAW-7072 Al Zn1 ENAW-7020 AlZ

14、n4,5Mg1 铜合金0.0180.019 膨胀量 100 C 工件长度1,000mm 火焰矫正温度 1.3 1.4 1.2 1.7 2.6 2.62.6 2.6 2.6 2.6 1.8 9.1 8.8 8.7 12.3 7.8 9.8 6.5 4.6 6.5 12.6 铝合金 软材料硬材料 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 803.06.13 12:02 09火焰矫正工艺的基础原理 04.火焰矫正的原则 火焰矫正时，部件被精准地加热到材料特定的可产生塑性变形的火焰 矫正温度。作为热膨胀被拘束的结果，塑性变形得以保留。冷却过程 中，工件被

15、缩短（缩短量约等于塑性变形量），从而达到所期望的在 长度方向或外形上的一个变化。 三个要素产生火焰矫正（图4）：加热-压缩塑性内部变形-收缩。相 对于采用锤子锤击工件导致的机械延伸变形，使用火焰通常会导致工 件的受热区域缩短。 加热 压缩塑性内部 变形 收缩 图4：火焰矫正的原则 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 903.06.13 12:02 10火焰矫正工艺的基础原理 05.可以采用火焰矫正哪些材料呢？ 与常见的焊接作业相同，在考虑材料特定性能的前提下，所有适用于 焊接的材料都可以毫无困难地适用于火焰矫正。 随着温度上升，所有金属性材

16、料的弹性模量以及强度都会下降。相应 的，材料的延展性将提升。（见图5） 以S355材料为例，很明显，当该材料被加热到大于650C时的火焰矫 正温度基本没有什么意义。从650C加热到950C的300C的温度提升 需要使用双倍的加热时间，但是既没有必要也没有益处。 对工件特定几个部位进行加热到其塑性变形的温度区间时，材料会因 膨胀受拘束而产生塑性压缩内部变形。 不同材料相对应地需要采用不同的火焰矫正温度（表2）。 图5：碳钢材料S355的屈服极限以及断裂时的伸长率 断裂强度 应力(N/mm2) 温度(C) 应变(%) 屈服极限母材被拉断时的伸长率 60060 50050 40040 30030 2

17、0020 10010 00 0100200300400500600700 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1003.06.13 12:02 11火焰矫正工艺的基础原理 表2：不同种材料对应的火焰矫正温度 材料材料技术规范其它材料技术规范火焰矫正温度C 碳钢 锅炉用钢 S235JR S355JO P265GH 16Mo3 13CrMo4-5 600800 细晶粒结构钢 热作模具钢 S355N S890QL S355M S460M 550700 镍基合金材料2.4360 2.4602 2.4856 NiCu30Fe NiCr21Mo14W

18、NiCr22Mo9Nb 650800 奥氏体不锈钢1.4404 1.4301 1.4541 X2CrNiMo17-12-2 X5CrNi18-10 X6CrNiTi18-10 650800 铝合金纯铝150450 适用于焊接的非时 效硬化的锻造合金 ENAW-3103 ENAW-5754 AlMn1 AlMg3 300450 ENAW-5083AlMg4,5Mn0,7150350 适用于焊接的时效 硬化的锻造合金 ENAW-6005A ENAW-6082 AlSiMg(A) AlSi1MgMn150200 ENAW-7072 ENAW-7020 AlZn1 AlZn4,5Mg1 150350

19、铜合金600800 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1103.06.13 12:02 12火焰矫正工艺的基础原理 06.应用于火焰矫正的燃烧气体 火焰矫正中，必须精准地加热部件的特定部位，并须在极短时间内加 热到火焰矫正温度。而只有依靠对工件表面的局部位置施加以较高的 热流密度才能使之成为可能。氧-乙炔火焰凭借其强烈的一次燃烧可产 生较高的热流密度。而那些使用大面积二次燃烧转移热量才能获得更 大热力学影响的燃烧气体不适用于火焰矫正。这里乙炔有别于那些燃 烧缓慢的气体，如丙烷及天然气（图6a)。 通过提升氧-乙炔的比例，火焰的输出可以得到

20、可观的提升(图6b)。理 想的火焰设置对于火焰矫正工艺具有决定性的意义。 只有采用氧-乙炔火焰才有可能获得合适的和正确的火焰矫正工艺！ 锲子状加热法 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1203.06.13 12:02 13火焰矫正工艺的基础原理 图6 b: 乙炔的热流密度 最大可输出的热流密度q(MW/m2) 火焰焰心距离x(mm) 15 10 5 0 -4081624 乙炔* 0.441.1 0.521.3 0.601.5 0.761.7 0.842.1 m 图6 a: 不同种类燃烧气体的热流密度 最大可输出的热流密度q(MW/m2)

21、火焰焰心距离x(mm) *(燃料燃烧氧化率)= 实际使用的 氧质量 按化学计量 所需的氧 16 12 8 4 0 -1001020 乙炔 *=1.0 丙烷 甲烷 3040 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1303.06.13 12:02 14火焰矫正工艺的基础原理 07. 应用于火焰矫正工艺的割（焊）炬 7.1. 火焰矫正用割炬的设计 经典型的火焰矫正用割炬是氧-乙炔单焰割炬，通常用于氧-燃烧气的 工艺（图7）。 对于特殊的操作，例如矫正焊接金属结构的角变形或消除薄板型材的 扭曲变形时，经验证特别适合使用多割嘴割炬。这种设备使用一排间

22、距30mm的3-5个传统的单焰割嘴的组合，并通过一个混配器来供应气 体。而厚度大于50mm的工件则适用于大型的多焰割炬来进行矫正。 7.2. 火焰矫正用割炬的选型 如何选择合适的割炬/割嘴尺寸来矫正钢板，管件或型材取决于工件 的厚度和材料的自身性能。 经实践证明，在配合适当的割嘴（表3）时，适用于可气焊板材厚度 的传统割炬是最佳的选择。 选择正确割炬的基本准则 工件的厚度对于正确选择割炬和相应的割嘴尺寸至关重要。 1) 碳钢、锅炉用钢以及细晶粒结构钢 这些材料具有普通的热传导性能： 用于火焰矫正工艺的割炬其割嘴尺寸应该比用于气焊相同厚度母材所 需的割炬的割嘴尺寸大1到2倍。 举例： 板厚 12

23、 mm 割嘴尺寸 1420 或 2030 mm 2) 奥氏体不锈钢 这些材料具有较低的热传导性能： 用于火焰矫正工艺的割炬其割嘴尺寸应该与用于气焊相同厚度母材所 需的割炬的割嘴尺寸相同或小倍。 举例： 板厚 12 mm 割嘴尺寸 69 或 914 mm 3) 铝和铝合金 这些材料具有非常好的热传导性能： 用于火焰矫正工艺的割炬其割嘴尺寸应该比用于气焊相同厚度母材所 需的割炬的割嘴尺寸至少大2倍。 举例： 板厚 15 mm 割嘴尺寸 2030 或 3050 mm 图7：火焰矫正工艺使用的割（焊）炬 多焰割炬单焰割炬火焰矫正用割炬 (多割嘴割炬) 工件表面 Flame Straigtening W

24、hite Paper_57266_12.indd 1403.06.13 12:02 15火焰矫正工艺的基础原理 表3：用于火焰矫正的割炬的选择 工件厚度用于火焰矫正的割嘴 尺寸 气体消耗量 碳钢不锈钢铝及铝合金 乙炔氧 mmmmmml/minl/min 122312122.52.8 243423245.05.5 255824468.39.2 46712356912.513.8 5710184891419.221.1 6121530510142028.331.2 10162550815203041.745.8 1525501020305066.773.3 204050153050100125.0

25、137.5 多割嘴割炬（3个喷嘴） 5158205102415.016.5 103015408254625.027.5 1540205012356937.541.3 130013001300特制的割炬23332.2366.3 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1503.06.13 12:02 16火焰矫正工艺的基础原理 08.用于矫正操作时的火焰设置和火焰指导 在加热过程中，不仅应该注意火焰矫正温度的水平，还要注意火焰的 设置和引导以匹配材料的特定性能。 火焰矫正工艺专门使用剧烈燃烧的氧-乙炔火焰（高火焰流速），根 据不同的加热材料，火焰

26、可被设定为充分燃烧、富氧燃烧或富乙炔燃 烧。 工件内的热输入以及热消散应成正比。当采用火焰矫正碳钢、锅炉用 钢以及细晶粒结构钢时，必须加热工件较低位置的部位。若要加热整 个部件的话，采用扩散型的火焰焰心更为合适（图8，左）。 经验丰富的火焰矫正操作员通常会使用接触型的火焰焰心来矫正这些 材料，火焰焰心的端部正好接触到工件的表面（图8，中）。 如果仅仅需要加热表面，可使用撞击型的火焰焰心。相对于接触型火 焰焰心，使用这种焰心可以改善热量的传导。但用这种焰心，工件表 面受损（过烧）的风险非常高，所以必须要迅速地操作（图8，右） 。 另一方面，针对奥氏体材料，通常采用与工件表面最小间距并具氧化 性的

27、焰心来火焰矫正（图8，左）。如果采用富乙炔的焰心（还原性 焰心）在高温下长时间暴露，材料上会增碳并在晶界中形成碳化铬， 这可能导致晶间腐蚀并降低抗腐蚀性能。 为顺应铝合金材料较低的熔化温度，其火焰焰心与工件表面的距离比 奥氏体材料的要更大。针对所有的碳钢、锅炉用钢和细晶粒结构钢， 都使用中性的焰心，或者采用氧化性的火焰焰心（最高达30-50%的 过量氧）会更合适。另一方面，奥氏体不锈钢通常需要含有过量氧（ 最高达50%）的火焰焰心，其目的是为了抵消中性焰心输出的额外的 碳。 当火焰矫正铝合金材料时，通常选用还原性的火焰，即含有略为过量 的乙炔（1%）。如果使用氧化性火焰，工件表面会与之反应，在

28、受 热区域留下一个灰色的褪色区域。火焰中略微过量的乙炔并不会对工 件表面造成伤害。 火焰矫正中，三种火焰的设置用于不同类型的火焰引导，例如火焰焰 心尖端与工件表面的距离（见表4）。 图8: 火焰焰心的距离和信息 扩散型焰心接触型焰心撞击型焰心 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1603.06.13 12:02 17火焰矫正工艺的基础原理 表4：用于火焰矫正的火焰设置和引导 不合适不允许可能的+可接受的+ +正确的 材料火焰设置火焰引导 过量 火焰焰心至工件距离 C2H201%中性O230%O250% 碳钢 + + 加热边角区域* 细晶粒结

29、构钢 + + + 热作模具钢 + + 锅炉用钢 + + 加热更低位置的区域* 钢轨用钢 + + + + 奥氏体不锈钢 + + + 双相不锈钢 + + + 铝 + + + 铝合金+ + + + + 2mm * 采用蓝色为底色所强调的区域对应表示碳钢、细晶粒结构钢、热作模具 钢、锅炉用钢和钢轨用钢。 还原型火焰 中性火焰 氧化型火焰 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1703.06.13 12:02 18火焰矫正工艺的基础原理 加热类型 针对整个截面的对称型 加热法 针对整个截面的非对称 型加热法 针对垂直于中性轴的截面 或对仅高于中轴线的半

30、截 面的非对称型加热法 变形类型 使整个部件缩短 取决于加热区域的位置， 使整个部件缩短以及弯曲 使部件弯曲 09.用于缩短或弯曲部件的基本加热方法 部件当其受热区域的热膨胀受拘束时会产生塑性压缩内部变形。工件 上产生塑性压缩内部变形的位置决定了外形的变化（图9） 9.1.使工件缩短的中心型或对称型加热法 如果对一个工件沿整个横截面均匀地加热，由于加热过程产生的膨胀 被充分拘束住，整个受热区域都会产生塑性压缩内部变形。在这种情 况下，工件将依据塑性压缩内部变形量而缩短。这个可以参考对称型 加热或中心型加热法（图10，左）。 取决于焊缝位置与火焰矫正点之间的相关性，更多残余焊接应力得以 降低。

31、9.2.使工件弯曲的不寻常或非对称性加热法 如果对于工件的加热仅围绕靠近表面某一侧的区域来进行的话，塑性 压缩内部变形就仅仅产生在这个受热区域里。 工件厚度方向上冷的部位通常会拘束热膨胀。通过这种方式，工件会 有选择性地精确地弯曲。这是指非对称性或不寻常型加热法。 图9：加热方法和变形的类型 中性轴 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1803.06.13 12:02 19火焰矫正工艺的基础原理 作为火焰矫正的结果，部件中所残余的焊接应力得以释放或与收缩应 力相叠加，最后部件中的应力峰值也得以降低。 通常在选用了不合适的割炬或遵循了不精准的

32、加热指南之后，工件可 能被缩短并同时被弯曲，尽管可能您只希望得到其中一种变形。 使用过小的割炬将拖延加热的时间，在某种环境下，会导致不需要的 穿透加热。没有足够的热量留存，就没有塑性压缩内部变形，也就不 会产生所期望的工件变形。 图10：用于缩短工件以及弯曲工件的加热位置 用于缩短工件的中心型加热法用于弯曲工件的不寻常型加热法 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 1903.06.13 12:02 20火焰矫正工艺的基础原理 10.应用于火焰矫正的加热技术 取决于工件以及变形量，采用不同的加热方法可获得最佳的矫正结果 （图11）。除了点状加热

33、法以外，加热的样式都要在工件上预先勾画 出来，从而提供一个加热作业的概况。 10.1.采用点状加热法来矫正薄板 推荐采用点状加热法（图12)用于火焰矫正波浪变形的薄板金属。可 以在薄板表面无规律地设置加热点。线型排状的加热点可能会导致缩 短区域更大，从而产生弯曲折叠。 工件在厚度方向上被加热完全，可以使钢板获得更为显著的缩短效 果。 不同于用于碳钢材料的割嘴，用于点状加热法的割嘴尺寸最大不应超 过3mm，以便获得最小的加热点。用大尺寸割嘴所生产的加热点，由 于扩散火焰大，加热点会过大。 点状加热法中，大量的小加热点要比少量的大加热点效率高。后者会 在薄板表面形成额外的波浪变形。 那些一侧或多侧

34、无固定的钢板只能通过匹配固定夹具系统来进行火焰 矫正。必须要保证一个封闭区域，可采用每个加强筋以及每条焊缝作 为区域的边界。如果需要的话，大型钢板需分割成几个小区域，例如 可以通过点焊加强筋来分割。 图11: 火焰矫正的加热技术 图12: 钢板上的加热点 将钢板完全加热 夹具 设置区域的边界 焊接边框 区 区 执行 采用小的加热点来完全 加热钢板，如果可能的 话，采用具备背面垫块和 锤击。 采用封闭式的夹具来拘束 膨胀，在钢板上设定加热 点，从夹具装置（焊接结 构）开始，向钢板中心以 螺旋形来加热。 将大型区域分割成几个小 区域。每条焊接以及点焊 的焊缝可以被当作区域的 一个边界。也可能需要附

35、 加加强筋。在每个区域中 单独设定加热点（如上图“ 夹具“中所示）。 点状加热法 例如用于波浪型钢板的 矫正 线状加热法 例如用于矫正弯曲变形 以及矫正因单侧焊缝而 导致的变形 锲子状加热法 例如用于矫正型钢以及 矫正窄金属板 椭圆状加热法 例如用于管件的矫正 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2003.06.13 12:02 21火焰矫正工艺的基础原理 钢板上的加热点应该是从外到里连续性地设置。起始于夹具处，向着 区域中心以螺旋形来进行加热。通过这种方法来加热处理整个区域。 为了保证平滑的工件表面，点状加热通常还配合一个合适的锤子（略

36、带球状）。一个平坦形的垫块被用于钢板背面，在锤击过程中提供反 向的支撑。锤击工具和垫块应该根据所矫正材料的情况而进行调整。 不推荐在钢板上无必要地拖拉加热点。设置呈几何形状的或过于规则 的加热点可能会产生线形的收缩区域，以至无法获得所期望的矫正效 果。采用无规则的加热点的分布较为合适。 10.2.采用椭圆状加热法来建造管路 通过采用这种加热法可以轻松并高效地矫正管路或其他旋转时对称性 的工件。 这种火焰矫正法主要用于消除管路一侧连接支路之后所产生的变形。 通过使用匹配管路母材壁厚的喷嘴，在管路连接头的背面进行椭圆状 加热，变形因此就得以消除。 基本的加热指南如下： 加热的椭圆其长轴的位置必须始

37、终与管路中轴走向相同。如果与中轴 走向成90夹角，那么会产生与锲子状加热相类似的效果，即使得管 路产生扭曲变形。 根据不同程度的弯曲变形，沿着管路的中轴线匀整往复的椭圆状加 热，确保管道整个壁厚被加热完全。由此受热区域产生了塑性压缩内 部变形，冷却时这个塑性内部变形就带来了所期望的外观变形。 单独的加热点或整排加热点甚至在外形很小偏差的情况下也能获得所 期望的效果。 图13: 椭圆状加热法 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2103.06.13 12:02 22火焰矫正工艺的基础原理 10.3.采用线状加热法来消除角变形 角变形是最频繁以

38、及最常见的变形形式。在很多案例中，可以通过在 角焊缝背面拉出一条或多条互相平行的加热线来消除这种变形。如果 厚度方向上仅1/3板厚被加热到火焰矫正温度的话，线状加热法（图 14）是尤其有效的。 针对这个应用，使用高性能的割炬并根据板厚来小心调整是非常有必 要的。母材表面下热熔深深度可通过割炬正下方工件表面的退火颜色 来控制。要想获得正确设置割炬推进率的感觉，火焰矫正人员可将割 炬稍微提起来一会儿，如果火焰设置正确，工件上深红色的炽热会立 刻褪去，表明火焰焰心与工件表面的距离是正确的同时推进率也得到 了正确的设置。如果褪去的时间较长，说明工件里面的热熔深太深， 这将降低矫正操作成功的概率。 在消

39、除焊接结构角变形以及消除薄板金属波浪变形（图15）应用上， 推荐使用多割嘴矫正割炬（也表示为3/2和5/3多喷嘴割炬），相邻喷 嘴的间距是30mm。 火焰设置、火焰焰心距工件表面的距离以及割炬的推进速度必须得到 小心的设置及良好的关联协调。 稳定轮或导向车必须设置成确保火焰焰心不会接触到工件的状态，同 时所有的单个火焰离工件表面的距离都要相同。当根据不同材料特性 来调节火焰时，焰心与工件的距离应该是3-5mm。 火焰如设置理想且推进率调节良好的话，受热区域和单个加热线之间 的冷区域都会清晰地呈现。必须防止加热线之间串线，否则工件将被 全部加热完全，而无法达到特殊的加热效果，也无法获得预期的去除

40、 角变形的目的。 有下面两种尺寸的多割嘴割炬可选 3号（2-4mm):适用于15mm以下的板厚 4号（4-6mm):适用于15mm以上，约40mm以下的板厚 图15: 使用3/2多割嘴割炬进行线状加热图14: 线状加热法 t 1/3t Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2203.06.13 12:02 23火焰矫正工艺的基础原理 10.4.锲子状加热法 锲子状加热法主要应用在需要通过矫正操作获得更大变形量的型钢以 及竖直的窄金属板。通常起始于锲子顶部，然后经过基准线均匀地加 热。重要的一点是锲子的形状和大小必须匹配工件的尺寸。加热的锲 子

41、形状须预先精确地描画出来，在工件上保留其标记。 腹板上的比率（锲子基准线宽度:锲子高度）应该是1:3。取决于矫正 变形的范围，应该用以下方法来选择锲子的高度：即锲子的顶部刚好 超过型钢的中轴线。通过这种方法，材料上非受热区域的刚度被用于 拘束膨胀。如果需要更大的变形矫正，锲子的形状需要被拉伸到经过 中轴线更远的位置，锲子的宽度高度比率仍然保持1:3。在这种情况 下，对于膨胀进程的额外拘束将有利于形成所需的变形。 应该在工件的两侧将加热锲子的形状都拉伸出来，并最大可能地确保 锲子两端的受热量一致。 如果热量被转移，无法形成锲子形状的加热区域，仅形成了一个未定 义的工件受热区域，这将导致无法达到预

42、期的矫正结果。 型钢的矫正流程是相同的：在工件上勾画出加热锲子形状，从腹板与 翼缘的夹角开始加热，然后转到锲子顶部。相对于加热夹角，加热锲 子顶部的停留时间必须非常短暂以便热量不会过多地扩散开。锲子的 基准线决定了翼缘板被加热的宽度。锲子上相交区域，考虑到大多数 材料受热时热量都积累到这个区域，对其最有效的加热方式是从翼缘 板上侧来加热。 为了防止翼缘上受热区域和非受热区域之间所产生的温度梯度，推荐 火焰温度要始终在低于受热翼缘顶部区域的温度。 图17: T型梁的加热指南图16: 锲子状加热法 腹板 锲子状加热法的基准线 中性轴 1 3 边角 5 3 6 11 22 44 翼缘 Flame S

43、traigtening White Paper_57266_12.indd 2303.06.13 12:02 24火焰矫正工艺的基础原理 11.热膨胀的拘束 热输入使矫正位置产生塑性压缩内部变形是成功矫正的先决条件。如 果一个部件在加热过程中没有足够的刚性用以拘束热膨胀的话，就需 要采取附加的措施以便从加热伊始就形成塑性压缩内部变形。在缺乏 刚性的部件上，为抑制热膨胀而采用额外的拘束对于矫正的成功具有 决定性意义（图18）。 在较厚的截面上，通过采用额外的膨胀拘束，火焰矫正可以变得更 快、更高效。 当使用机械装置来拘束膨胀时，特别要注意工件不能因此而变形。这 些附加的装置不应拉长或夹紧工件，而

44、应只是抓住工件。额外的变形 力可能会使工件的火焰矫正区域产生扭曲变形。 利用火焰矫正样板中那些原本就保持冷却的边角区域特别重要。例 如：锲子加热法通常都是从锲子尖端向锲子基准线来加热，由于锲子 基准线上面的非受热的边角区域提供了抑制膨胀的拘束，锲子尖端在 加热中已经产生了严重的塑性压缩内部变形，由此对锲子尖端的火焰 矫正流程就完成了。 如果不加热锲子的边角区域，同时又将锲子尖端的压缩内部变形区域 冷却到大约200C，收缩力（拉伸应力）将在压缩内部变形区域产生 并支持塑性压缩内部变形，就如同加热边角区域时所获得的效果一 样。采用这种方法，使用更少和更小的加热样板也可以获得良好的矫 正结果。这种方

45、法可以应用在所有那些边角区域可提供额外拘束热膨 胀的案例中。 图18: 膨胀受拘束的可能性 1)通过自身重量来拘束3)通过附加的夹具来拘束 4)建立拉应力 1.加热锲子尖端 2.允许冷却 3.加热锲子区域 2)通过自身刚性来拘束 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2403.06.13 12:02 25火焰矫正工艺的基础原理 11.1.薄板上用于拘束膨胀的夹具 在没有特殊夹具情况下，薄板和未固定的部件无法被火焰矫正。通过 使用经典的方法（用封闭的火焰并保证火焰尖端通过钢板中心形成尽 可能小的加热点进行彻底的加热）可以独立地来火焰矫正工件的某

46、个 部位。薄板的紧固方法也与此类似，如夹层膜的拉紧。 在一系列生产中，如在制造车厢时，根据单个面的尺寸而调整穿孔板 被证明是有效的（图19,左）。穿孔板强迫薄板进入一个期望的平面 中，并在加热操作中保持薄板始终处在这个平面中。穿孔板的尺寸、 厚度和与钢板的距离取决于工件的厚度和部件本身。相关的测量通常 基于经验，例如目测值。 仅当需要矫正的薄板其背面有一块钢板进行支撑时才能采用穿孔板进 行火焰矫正。在铁道车辆工业生产中，薄板材料如车厢顶棚或车厢的 外壁，主要都是铝合金的材料，这种情况下磁性材料被当作垫块，通 过铝合金薄板来夹紧穿孔板，然后强迫这个薄板部件进入所期望的平 面中。 穿过穿孔板的凹部

47、来设定加热点。火焰矫正人员无需按照特定的顺序 来加热这些点，对于突出部分加热点的锤击是不可行的也是没有必要 的。 当使用穿孔板进行矫正时，监控铝合金结构的火焰矫正温度因操作性 极低而是一个问题。因此在开始操作之前，应该在试板上来测试火 焰。通常通过数数和感觉来决定工件应暴露在火焰下的时间。 作为穿孔板和垫板组合的替代品，真空板经证明也可用于矫正较薄的 板材（图19,右）。这些板材包括除了一个稳定的金属板之外，在金 属板边缘还附有橡胶的密封圈。真空板被放置在这个金属板上面。通 过抽离这两块板之间的空气，金属板需要被矫正的区域被拉伸成所期 望获得的平面，再从反面执行火焰矫正操作。火焰矫正人员会基于

48、实 践经验来决定加热点的数量和距离。 图19: 穿孔板 真空板 穿孔板 割炬 穿孔板 工件 垫块 真空板 真空板 加热点 密封件 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2503.06.13 12:02 26火焰矫正工艺的基础原理 11.2.用于拘束钢板，管件和型钢膨胀的夹具 只有在火焰加热伊始就同时对管件的延展进行拘束，火焰矫正才能够 成功。 工件可自由移动的能力强，那么暴露在火焰中时其外形尺寸的变化就 会减少。 如果工件可以自由移动，那么就有必要使用适合的夹具来拘束其产生 的热膨胀。 膨胀需要被拘束的程度取决于工件。如果结构自身具备足够的刚性， 就没有必要采用附加的拘束措施。 合适的夹具包括： 重型螺纹夹具 钢质锲子以及夹板 锁链 起重器械和千斤顶等 不合适的夹具包括： 普通的螺纹夹具 液压式起吊设备 绳索 砝码 可能屈服的工具 图20: 用于拘束膨胀变形的附加设施 Flame Straigtening White Paper_57266_12.indd 2603.06.13 12:02 27火焰矫正工艺的基础原理 12.火焰矫正之后的冷却 根据材料类型，决定冷却介质的类型