一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板及其制備工藝，其特征在于：由上面板、下面板和波紋芯板膠結(jié)而成，上面板和下面板為不銹鋼板，波紋芯板為輥壓成形或模壓成形的、具有多強度級別的、經(jīng)加熱至完全奧氏體化并淬火至馬氏體相變的高強度熱成形鋼板，波紋芯板的抗拉強度為1300MPa-1600MPa；波紋芯板的高度為32mm-100mm，波紋芯板的厚度為1.0mm-4.5mm，波紋芯板的波距為49mm-156mm，上面板的厚度為2.0mm-10mm，下面板的厚度為1.0mm-10mm；三明治板的高度為35mm-120mm，三明治板的寬度為200mm-3000mm，三明治板的長度為1000mm-10000mm。本發(fā)明具有成本低，板材防腐耐久性強，粘接強度、韌性高等優(yōu)點，在輕量化、力學性能以及成本等方面都具有較大優(yōu)勢。
【專利說明】一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板及其制備工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要應用于船舶船體及客艙制造中用于甲板和艙壁代替中厚板結(jié)構制造領域，也適用于高速列車、軌道交通車廂地板結(jié)構和外殼制造過程，具體地說是一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]中厚板、厚板是國內(nèi)造船行業(yè)用于甲板、墻和艙壁的主要建筑板材，厚度范圍8-50_，主要用于確保船舶船體及客艙結(jié)構的局部強度、剛度要求，由于其材料密度大(鋼的密度7.8g/cm3),厚度大且為實芯結(jié)構，導致其面密度大，大量應用影響船舶載重和動力性能。國外部分造船廠采用激光焊接的夾芯結(jié)構三明治板代替中厚板，面密度很小，達到輕量化目的的同時保證足夠的強度要求，其工藝主要是大功率激光焊接設備將芯板和上、下面板用激光焊接的方式連接起來，一般用于豪華游艇的甲板、艙壁，制作成本較高，焊接性能有限，限制了激光焊接三明治板的廣泛發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)上述提出的技術問題，而提供一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板及其制備工藝。本發(fā)明主要采用涂膠粘接方式實現(xiàn)三明治結(jié)構板制備方法，可滿足船舶設計使用強度力學性能要求同時實現(xiàn)輕量化。
[0004]本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0005]一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，其特征在于:由上面板、下面板和波紋芯板膠結(jié)而成，所述上面板和下面板為不銹鋼板，所述波紋芯板為輥壓成形或模壓成形的、具有多強度級別的、經(jīng)加熱至完全奧氏體化并淬火至馬氏體相變的高強度熱成形鋼板，所述波紋芯板的抗拉強度為1300MPa-1600MPa ;所述波紋芯板的高度為32mm-100mm，所述波紋芯板的厚度為1.0mm-4.5mm,所述波紋芯板的波距為49mm-156mm,所述上面板的厚度為2.0mm-1Omm,所述下面板的厚度為1.0mm-1Omm ;所述三明治板的高度為35mm-120mm,所述三明治板的寬度為200mm-3000mm，所述三明治板的長度為1000mm-10000mm。
[0006]作為優(yōu)選，所述波紋芯板的高度為36mm-60mm,所述波紋芯板的厚度為
1.6mm-3.0mm,所述波紋芯板的波距為90mm-130mm ;所述上面板的厚度為2.5mm-6.0mm,所述下面板的厚度為2.0mm-5.0mm ;所述三明治板的高度為40mm-72mm,所述三明治板的寬度為 500mm-3000mm。
[0007]作為優(yōu)選，所述波紋芯板采用全覆式涂膠工藝。
[0008]本發(fā)明還公開了一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板的制備工藝，其特征在于包括如下步驟:
[0009]①波紋芯板輥壓成形:對開卷后的板料進行校正處理，應用具有回彈補償?shù)妮亯涸O備對板料進行輥壓成形，然后根據(jù)工藝獲得適宜尺寸對板料切料；
[0010]棍壓成形主要針對一定厚度的從1.0mm到4.5mm的鋼板,能夠棍壓高強度鋼板(一般達到DP700鋼材)，輥壓設備的要求以及成形后板料的精度要求都較高，輥子的壽命滿足要求實際生產(chǎn)需求且可根據(jù)板材厚度進行更換，設備具有進行回彈補償?shù)难b置以對成形精度進行控制。以對DP700高強度鋼2.5mm厚度的板料進行輥壓成形為例，平面度精度控制在±lmm內(nèi)，壽命為能夠輥壓350-1400km長度產(chǎn)品總量。
[0011]②熱成形:將切好的波紋芯板在加熱爐中加熱至完全奧氏體化后，送至波紋形模具內(nèi)進行模壓淬火至馬氏體化，通過對加熱好的板料進行保壓淬火至馬氏體化，從而得到超高強度的波紋板(抗拉強度達1500MPa)，這一步至關重要，參考鋼板熱成形工藝，該工藝過程，不僅進一步提高了波紋板的成形精度，而且大幅度提高了材料的力學性能。
[0012]將波紋芯板送入中低溫爐中回火處理，釋放并消除殘余應力，提高產(chǎn)品服役性能以及耐久性，改善蠕變以及噴丸工藝帶來的回彈影響；對波紋芯板進行噴丸處理，使其表面光潔，進一步釋放并消除殘余應力。
[0013]③粘接組合成形:對波紋芯板和剪裁好的上面板和下面板進行清洗去油污等雜質(zhì)處理，送入爐中快速烘干，金屬表面質(zhì)量很大程度影響粘接性能及穩(wěn)定性。采用全覆式涂膠工藝對波紋芯板與上面板和下面板進行保壓粘接，根據(jù)膠的特性，固化后成形。
[0014]其中，膠粘工藝是整個三明治板的核心環(huán)節(jié)，所述全覆式涂膠工藝是對波紋芯板上、下表面的所有部分進行全覆式涂膠，且為均勻快速涂膠。使用的膠為結(jié)構韌性膠，結(jié)構韌性膠必須滿足 下述特性:高韌性、高粘接強度；抗老化、耐化學腐蝕和耐水性能優(yōu)；可操作時間長；優(yōu)異的觸變性，立面、仰面施工不流淌。滿足上述條件的結(jié)構韌性膠可選用:YZJ-3灌注型粘鋼結(jié)構膠、YJS-503環(huán)氧灌注粘鋼膠、美以達M200粘鋼膠，均滿足國標GB50367-2006A級膠技術要求。
[0015]作為優(yōu)選， 所述加熱爐為電感式加熱爐，可進行連續(xù)高頻節(jié)能的感應加熱，使波紋芯板從常溫到900°C以上只需要十幾分鐘，大大節(jié)約時間，提高效率。目前滿足條件的電感式加熱爐可選用:神光KGPS-GW-1.5-1200/0.75等。
[0016]作為優(yōu)選，所述波紋形模具為設有水冷管道的水冷模具，該模具的型面為最終波紋芯板產(chǎn)品的形狀。
[0017]作為優(yōu)選，當需要所述波紋芯板的力學性能級別低時，即所述波紋芯板的屈服強度小于700MPa、抗拉強度小于900MPa時，經(jīng)步驟①后可跳過步驟②，直接進行步驟③。
[0018]作為優(yōu)選，當需要所述波紋芯板的長度≤3000mm時，步驟①中跳過輥壓成形工藝，對校正后的板料進行剪裁后直接進行步驟②。
[0019]較現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的制備工藝首先通過連續(xù)輥壓的工藝制備方法來生產(chǎn)波紋芯板，再對波紋芯板進行加熱到完全奧氏體化然后再通過布置有冷卻水道的模具進行淬火保壓得到超高強度波紋芯板；然后通過結(jié)構韌性膠粘工藝實現(xiàn)鋼制金屬波紋芯板和鋼制金屬上下面板的粘接成為三明治板。從而獲得具有極高的比剛度、比強度正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，該板材的力學及服役性能更遠勝于普通的中厚板、厚板(船用中厚板、厚板一般為8mm-50mm，一般強度船體結(jié)構用鋼分為A、B、D、E4個等級，這4個等級的鋼材的屈服強度(不小于235N/mm2)和抗拉強度(400~520N/mm2)—樣，只是不同溫度下的沖擊功不一樣)，其中就比剛度一項，本發(fā)明制備工藝生產(chǎn)出的波紋夾芯結(jié)構高出中厚板10-30倍；因此輕量化前景優(yōu)勢明顯，可減重20%-55% ;本發(fā)明提供的制備工藝使得該新型結(jié)構板材成本更低，成本降低12%_35%，防腐耐久性強，粘接強度、韌性高；綜上，運用本發(fā)明的制備工藝制造出來的該正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板在輕量化、力學性能以及成本等方面都具有較大優(yōu)勢。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021]I)本發(fā)明的三明治板結(jié)構上是正交異性結(jié)構，是結(jié)構上的正交異性，其三個主向剛度各不相同，為構造上正交異性結(jié)構，在三明治板結(jié)構中最主要的兩個主向剛度即第一和第二主向剛度優(yōu)勢明顯，即長度方向和寬度方向的剛度優(yōu)勢較大，與各向同性結(jié)構相比，具有超高的比剛度、比強度。橫向?qū)Ρ绕胀ㄖ泻癜?、普通中厚板加肋板，由于三明治板這樣特殊結(jié)構所具備的大截面慣性矩，所以三明治板比中厚板剛度大且質(zhì)量輕；對比中厚板加肋板，剛度一樣的情況下質(zhì)量減輕很多(減重> 50%);本發(fā)明的波紋芯板的抗拉強度可以達到1500MPa，整體的三明治板力學性能更好，密度低，可以實現(xiàn)大幅度輕量化，在船舶制造、高速列車、商用車以及航空航天多個領域中都適用。
[0022]2)本發(fā)明的三明治板具有超高強度，一般達到抗拉強度1500MPa，可以通過減薄波紋芯板厚度(減薄30%-50%)既能滿足力學性能要求，又能減輕質(zhì)量。
[0023]3)本發(fā)明的三明治板具有較好的韌性，三明治板的結(jié)構是具有高韌性吸能結(jié)構，而結(jié)構韌性膠具有較為突出的韌性以及吸能特性，這樣的三明治板可以承受波浪帶來的沖擊和爆炸帶來的沖擊等等。
[0024]4)本發(fā)明的三明治板具有耐腐蝕的優(yōu)點，結(jié)構韌性膠是耐腐蝕的(在海洋及海岸等地區(qū)的耐用年數(shù)達到42年)，且波紋板以及外板表面是全覆式涂膠，大大增強了耐腐蝕性。
[0025]5)本發(fā)明的三明治板具有耐疲勞的優(yōu)點，由于結(jié)構韌性膠具有抗疲勞的特點(lOOOh，強度下降< 10%)膠粘平臺的面積較大，相對于另外一種連接方式激光焊接，提供的抗彎、抗剪、抗扭等能力大幅度提升(對比說明:結(jié)構韌性膠的剪切強度是30MPa，而激光焊接的剪切強度是150MPa，然而激光焊接的寬度只有Imm左右，而粘接平臺的寬度達到15mm以上，評價抗剪能力是剪切強度X面積，這樣膠粘三明治板對比激光焊接三明治板力學性能增大了很多倍)，由于連接部位的力學性能大大提升，所以相應的耐疲勞性能也增大了許多。
[0026]6)本發(fā)明三明治板的制備工藝，可以節(jié)省大量的成本。激光焊接工藝具有相對低效、成本高以及耗能大的特點，而本發(fā)明采取的膠粘工藝替代激光焊接，降低了投資成本，節(jié)約能源和耗能成本；同時由于激光焊接一般是要對每一條平臺進行焊接，而一塊板通常有很多條平臺，耗時效率低，而涂膠工藝方便快捷，提高生產(chǎn)效率，進一步降低成本；由于膠本身價格低廉，所以進一步降低了成本。
[0027]7)本發(fā)明采用的電感式感應加熱，具有效率高、低能耗、污染低等優(yōu)勢。電感式加熱爐是一種將工頻50HZ交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l(300HZ以上至1000HZ)的電源裝置，把三相工頻交流電，整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流，在感應圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chǎn)生很大的渦流。由于中頻感應加熱的原理為電磁感應，其熱量在工件內(nèi)自身產(chǎn)生，普通工人用中頻電爐上班后十分鐘即可進行鍛造任務的連續(xù)工作，不需提前很長時間進行開啟電熱爐。由于該加熱方式升溫速度快(如圖6所示，曲線a為電感式加熱方式，曲線b為舊式加熱方式)，所以氧化極少，氧化燒損僅為0.5%，其它加熱方式燒損達3%，每噸產(chǎn)品和其它加熱方式相比至少節(jié)約鋼材原材料20-50千克。中頻感應加熱爐加熱速度快、中頻爐生產(chǎn)效率高、中頻爐氧化脫炭少、中頻爐延長模具壽命、中頻爐工作環(huán)境優(yōu)越、中頻爐提高工人勞動環(huán)境和公司形象、中頻爐無污染、中頻爐低耗能、中頻爐節(jié)電效果好、燒損少、能耗低、中頻爐電加熱作業(yè)環(huán)境好、中頻爐啟動性能好，空爐、滿爐均可達到100%啟動。
[0028]基于上述理由本發(fā)明可廣泛應用于船舶船體及客艙制造中用于甲板和艙壁代替中厚板結(jié)構，也適用于高速列車、軌道交通車廂結(jié)構用于地板和外殼的新型三明治結(jié)構板材制造領域，該制造方法成本低廉，性能優(yōu)異，非常適合造船業(yè)的廣泛使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0030]圖1是本發(fā)明的三明治板的結(jié)構示意圖。
[0031]圖2是本發(fā)明的制備工藝流程圖。
[0032]圖3是本發(fā)明的制備工藝中的模具示意圖。
[0033]圖4是本發(fā)明的制備工藝中的模具的主視圖。
[0034]圖5是圖4中A處的放大圖。
[0035]圖6是本發(fā)明的電感加熱溫度-時間曲線圖。
【具體實施方式】
[0036]如圖1所示，一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，由上面板1、下面板3和波紋芯板2采用全覆式涂膠工藝膠結(jié)而成，所述上面板I和下面板3為不銹鋼板，所述波紋芯板2為輥壓成形或模壓成形的、具有多強度級別的、經(jīng)加熱至完全奧氏體化并淬火至馬氏體相變的高強度熱成形鋼板，所述波紋芯板2的抗拉強度為1300MPa-1600MPa ;所述波紋芯板的高度為32mm-100mm,所述波紋芯板的厚度為1.0mm-4.5mm,所述波紋芯板的波距為49mm-156mm,所述上面板的厚度為2.0mm-1Omm,所述下面板的厚度為1.0mm-1Omm ;所述三明治板的高度為35mm-120mm，所述三明治板的寬度為200mm-3000mm，所述三明治板的長度為1000mm-10000mm。以波紋芯板2厚度1.6mm、上面板I厚度2.5mm、下面板3厚度2.5mm、寬度500mm、三明治板高度46mm、長度IOOOmm為例，其中三明治板高度很大程度決定了該板的剛度，高度越高，剛度越大，波紋芯板2厚度將決定整體的穩(wěn)定性、強度，越厚強度越高，但是會增加整體質(zhì)量，一般綜合考慮強度和質(zhì)量兩個方面，決定其厚度。
[0037]上述正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板的制備工藝(如圖2所示)，包括如下步驟:
[0038]①波紋芯板輥壓成形:
[0039]板料開卷；
[0040]平整板料:對板料進行校正處理；
[0041]高強度棍壓成形:針對一定厚度的從1.0mm到4.0mm鋼板，能夠棍壓高強度鋼板(一般達到DP700鋼材)，輥壓設備的要求以及成形后板料的精度要求都較高，一般為滿足平面度±1.0mm，輥子是壽命滿足要求實際生產(chǎn)需求且可根據(jù)板材厚度進行更換，要求滿足壽命為輥壓800km長度產(chǎn)品，設備具有進行回彈補償?shù)难b置以對成形精度進行控制，高強度鋼冷輥壓回彈嚴重，需進行回彈補償，最終滿足平面度±1.0mm。[0042]切料:根據(jù)工藝獲得適宜尺寸的三明治板原材料，裁剪長度可調(diào)，一般為1000mm-1OOOOmm 長度。
[0043]根據(jù)需要制備的三明治力學性能級別，造船用鋼板是分級別的，對于一些部位需要加強，所需級別為高級，即鋼板的力學性能高，體現(xiàn)在抗拉強度、屈服強度以及厚度等參數(shù)。本發(fā)明所述三明治板也是分級的，以芯板材料的屈服強度及抗拉強度為基準來分級，其中波紋芯板屈服強度大于700MPa、抗拉強度大于900MPa為高級。當所需級別為高級時，進行波紋芯板熱成形，如級別為高級以下，直接進行③粘接組合成形。
[0044]另外，當需要所述波紋芯板的長度< 3000mm時，步驟①中跳過輥壓成形工藝，對校正后的板料進行剪裁后進行步驟②，即采用模壓成形。
[0045]②波紋芯板熱成形:
[0046]電感應加熱:連續(xù)中、高頻節(jié)能電感式加熱爐可對已經(jīng)切好的波紋板進行加熱至完全奧氏體化，同時運送至下一個加工環(huán)節(jié)。
[0047]模壓淬火:設有冷卻水道的模具(如圖3至圖5所示)，模具型面形狀是最終設計的波紋芯板形狀，通過對加熱好的板料進行保壓淬火至馬氏體化，從而得到超高強度的波紋板(抗拉強度達1500MPa)。
[0048]回火處理:將波紋芯板送入中低溫爐中回火處理，一般回火溫度為200°C時回火時間2h為宜，釋放并消除殘余應力，提高產(chǎn)品服役性能以及耐久性，改善蠕變以及噴丸工藝帶來的回彈影響。
[0049]噴丸處理:使波紋板表面光潔，進一步釋放并消除殘余應力，噴丸設備是自動化并且噴丸速度和角度均為可調(diào)節(jié)，以適當?shù)乃俣群徒嵌葒娡?，最大程度降低噴丸后產(chǎn)品的變形，滿足噴丸后波紋芯板的平面度< ±1.5_。
[0050]③粘接組合成形:
[0051]材料表面清洗:對波紋芯板和剪裁好的上、下面板表面進行清洗去油污等雜質(zhì)處理，送入爐中快速烘干，金屬表面質(zhì)量很大程度影響粘接性能及穩(wěn)定性。
[0052]全覆式涂膠:涂膠區(qū)域為波紋芯板的全部表面，雙面式涂膠工藝，對波紋芯板和上、下面板分別均勻快速涂膠。
[0053]保壓粘接:波紋芯板與上、下面板保壓粘接。
[0054]固化成品:依據(jù)膠的使用特性，固化成品，得到新型正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板。
[0055]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，其特征在于:由上面板、下面板和波紋芯板膠結(jié)而成，所述上面板和下面板為不銹鋼板，所述波紋芯板為輥壓成形或模壓成形的、具有多強度級別的、經(jīng)加熱至完全奧氏體化并淬火至馬氏體相變的高強度熱成形鋼板，所述波紋芯板的抗拉強度為1300MPa-1600MPa ;所述波紋芯板的高度為32mm-100mm，所述波紋芯板的厚度為1.0mm-4.5mm,所述波紋芯板的波距為49mm-156mm,所述上面板的厚度為2.0mm-1Omm,所述下面板的厚度為1.0mm-1Omm ;所述三明治板的高度為35mm-120mm,所述三明治板的寬度為200mm-3000mm，所述三明治板的長度為1000mm-10000mm。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，其特征在于:所述波紋芯板的高度為36mm-60mm,所述波紋芯板的厚度為1.6mm_3.0mm,所述波紋芯板的波距為90mm-130mm ;所述上面板的厚度為2.5mm_6.0mm,所述下面板的厚度為2.0mm-5.0mm ;所述三明治板的高度為40mm-72mm，所述三明治板的寬度為500mm-3000mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板，其特征在于:所述波紋芯板采用全覆式涂膠工藝。
4.一種正交異性結(jié)構超強高韌性三明治板的制備工藝，其特征在于包括如下步驟: ①波紋芯板輥壓成形:對開卷后的板料進行校正處理，應用具有回彈補償?shù)妮亯涸O備對板料進行輥壓成形，然后對板料切料； ②熱成形:將切好的波紋芯板送至加熱爐中加熱至完全奧氏體化后，再送至波紋形模具內(nèi)進行模壓淬火至馬氏體化，再將波紋芯板送入中低溫爐中回火后進行噴丸處理； ③粘接組合成形:對波紋芯板和剪裁好的上面板和下面板進行清洗去油污后烘干，采用全覆式涂膠工藝對波紋芯板與上面板和下面板進行保壓粘接，固化后成形。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備工藝，其特征在于:所述全覆式涂膠工藝是對波紋芯板表面所有部分進行全覆式涂膠。
6.根據(jù)權利要求4所述的制備工藝，其特征在于:所述加熱爐為電感式加熱爐。
7.根據(jù)權利要求4所述的制備工藝，其特征在于:所述波紋形模具為設有水冷管道的水冷模具。
8.根據(jù)權利要求4所述的制備工藝，其特征在于:當需要所述波紋芯板的屈服強度小于700MPa、抗拉強度小于900MPa時，經(jīng)步驟①后直接進行步驟③。
9.根據(jù)權利要求4所述的制備工藝，其特征在于:當需要所述波紋芯板的長度(3000mm時，步驟①中跳過輥壓成形工藝，對校正后的板料進行剪裁后直接進行步驟②。
【文檔編號】B32B3/28GK103496206SQ201310470624
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權日:2013年10月9日
【發(fā)明者】胡平, 盈亮, 于野, 戴明華, 賀斌 申請人:大連理工大學