此它背离第一表面22扩张，永久地成形一一变得更厚。如图2C所示，一旦板材14冷却，加热/ 变形的区域24收缩，如箭头26所示，在板材14的第一表面22上牵拉。板材14的加热区域24回 冷至环境溫度，运造成热收缩，该热收缩导致收缩应力，该收缩应力足W在板材14中产生应 变和导致弯曲（例如变形）。在某些实施例中，运个工艺可W如下方式重复:将热源20W预定 义的模式扫描经过板材14、管材、工字梁材料、L型材料、棒料、圆锥形、圆形、梯形、正方形、 多边形或其他初始形状的第一表面22来生成需要的形状。
[00%]热成形工艺的理论为加热操作必须在沿厚度的方向28(例如大致垂直于板材14的 第一表面22的方向）上产生热膨胀和永久应变。冷却操作需要在垂直于沿厚度的方向28的 二维平面30(例如大致平行于板材14的第一表面22的二维平面)上产生热收缩和永久应变。 就是由于热膨胀和热收缩的运种塑性变形的不对称导致金属弯曲。
[0029] -般来说，只要加热金属的热膨胀受益于仅在沿厚度的方向28上受到约束，板材 14的相对快速加热是有利的。因此，如图2B所示，加热应该足够快速地完成W获得大量被加 热但仅在板材14厚度上大约一半地被加热的金属。运促使热膨胀首先发生在沿厚度的方向 28上，因为如果被迅速加热，热量还未扩散到周围材料。热金属的屈服强度相对较低，因此 它容易变形，所述变形受较高屈服强度冷金属约束。但是，所述热收缩在某种程度上将出现 在平行于金属表面22的平面30上并且主要集中在一个表面附近(例如，图2C示出的实施例 中的第一表面22)。先前加热的金属冷却并且屈服强度增加，因此该金属将在周围的金属上 施加大量的负载并且导致金属部件弯曲。
[0030] 因此，对于冷却操作来说，主要的热收缩通常在垂直于沿厚度的方向28的平面30 上，并且集中在板材14的第一表面22或第二表面32的其中之一(例如，还是图2C示出的实施 例中的第一表面22)附近。图3是根据本公开的实施例对接焊接中的角扭曲的图。热成形工 艺在焊接(例如图3中示出的对接焊接34)中引起金属弯曲，与图2A至2C的固体板材14非常 相像。如果主要的热收缩在垂直于沿厚度的方向28的平面30上并且板材14在一个表面22、 32上比另一表面22、32上更热，则将发生弯曲。一般来说，弯曲将朝向最热的表面22、32。
[0031] 对于本文描述的热成形工艺的加热的精确控制有助于合适的金属成形。通常来 说，如果加热没有被适当地控制，那么该工艺将不会导致需要的金属成形。关于运样的加热 控制有几个考虑因素。第一，加热材料14应该受冷金属的周围"容器"约束。一般来说，热量 应该仅限于最靠近正在被加热的表面的材料(例如，图2B示出的实施例中的第一表面22)， 因此最大的收缩将集中在那个表面处或那个表面附近产生。另外，一般而言，垂直于沿厚度 的方向28的平面30的另一侧上的材料的表面(例如图2B示出的实施例中的第二表面32) W 及沿金属厚度的中途没有接受到任何显著的加热。因为到达金属的非加热侧的热流(如热 传导)是时间依存的，运意味着加热应该W最快的可能的速度实施W当加热停止和冷却开 始时使得在沿厚度的方向28上的热梯度最大化。通常，垂直于沿厚度的方向28的平面30上 的热膨胀将与获得金属成形工艺的最大效率相左。因此，周围的材料可W相对保持尽可能 冷W约束被加热材料。运大体上确保了主要的热膨胀将在沿厚度的方向28上。否则，引起弯 曲的热收缩的净量将W不在沿厚度的方向28上的热膨胀的量减小。
[0032] 火焰加热是在大多数造船厂中实施的主要方法。激光加热是用于热成形的另一种 可能的热源20,然而不管是火焰加热还是激光加热都无法理想地用在较厚金属上。火焰加 热具有由燃烧过程产生的大部分热量损失到周围环境(例如，多达30%~50%的火焰热量 会损失）的缺点。此外，外部产生的热量必须穿过金属表面处的界面，运是火焰加热和激光 加热均有的额外的无效率性。而且，激光的加热效率比火焰的加热效率甚至可能更低效率。 第一，激光通常W3%至30%的效率工作。因此，即使对于高效的激光，70%的能量可能作为 废热损失。此外，消除废热的关联制冷系统同样使用能量。那么，在热量能够穿过金属表面 的界面之前，激光必须与表面禪合W传递激光光束的能量。因此，尽管火焰加热和激光加热 可W明确地与在此描述的热成形实施例一起使用，然而对于火焰和激光两者而言，其能量 效率可能均低于30 %。
[0033] 因此，满足热成形系统的第一目标，为了尽可能快速地加热，尽管火焰加热和激光 加热都可W使用，它们离最佳效果还差很远。为尽可能快速地加热，系统应该能够在最短量 的时间内将最大量的热量引入被加热材料14的内部。在某些实施例中，可使用感应加热在 部件上在最接近感应线圈的表面附近直接产生感应电流。加热可W由正在材料14的内部体 积中传导的高频"满流"电流完成，所述高频"满流"电流由感应线圈生成的高频电磁场驱 动。通常，感应加热对是在此描述的实施例中使用的最快速和最高效的加热方法。可W在此 处描述的实施例中利用的感应加热系统的示例公开在例如提交于2011年5月19日的题为 "辅助焊接加热系统（Auxilia巧welding heating system)"的公开号为2011/0284527的 美国专利申请中，其通过引用在此并入本申请中。
[0034] 达到成形溫度的时间的计算依赖于所选择的工艺的热通量。在某些情况中，例如 对于EH-36船体钢用于加热成形的最高可允许的溫度接近1150华氏度。下面的方程式可用 于计算达到成形溫度所需的相对时间。
[0035]
[0036] tig =达到成形溫度时间
[0037] Tig =成形溫度（Κ) = 1150 [003引 τ0 =环境溫度Γκ) = 370
[0039] q"=热通量(W/m2)
[0040] =48,880,000(乙烘）
[0041 ] =1,400,000,000(35KW 感应）
[0042] 由于热产生效率的可变性W及金属表面的热阻，仅可W达到相对时间的近似值。 但是，仅作为一个示例，将4号氧乙烘炬头端和35KW感应加热头部相比的实验数据表明加热 时间之比大约是20:1。
[0043] tig = 20sec.(乙烘）
[0044] tig<lsec.(35KW 感应）
[0045] 图4A和4B分别示出氧乙烘加热对比感应加热（例如用35KW感应加热系统）的时间 差和溫度差。大约6秒之后，火焰36的加热区域24已经很好地延伸超过材料14的半厚度点并 且很好地扩散超过需要的加热点尺寸的宽度，然而第一表面22处的最高溫度仍然仅有800 华氏度。相反，使用感应加热大约仅1秒之后，被加热的表面22的溫度已经超过1150华氏度 的热成形溫度。因此，感应控制器需要W满功率加热大约仅850毫秒W取得需要的成形溫 度。通过调整功率电平和线圈尺寸，感应加热系统38可W被"调整产生理想的加热区尺 寸来使热成形工艺最优化。
[0046] 本文描述的热成形过程的另一目标是材料14应该尽可能快速地冷却。因为激光加 热和火焰加热在它们能够传递给金属的热量的量上都是相对有限的，运些加热工艺中没有 任何一个像感应加热那样好。就是说，因为热传导是基于时间的，因此达到最高溫度所需的 加热时间越长，可用于将热量传导入周围金属的时间将越长。主要的加热区周围的所有热 金属将趋向于使冷却速度减慢。在某些实施例中，可W通过增加激光的功率电平来修正激 光加热的加热速度同时仍保持加热区域24的尺寸。缺点在于高功率激光与感应加热相比在 购买和维护方面会过于昂贵。
[0047] 在某些实施例中，在此描述的热成形工艺对于相对较厚的金属构件可W排他地使 用感应加热。某些实施例可W利于便携使用，比如在造船厂中的甲板板或防水板的校直。在 运样的例子中，例如，25KW的便携感应电源可W用作热源20。尤其用于形成相对较大板的其 他实施例可W使用一个(或多个)35KW感应电源作为热源20。在又一些其他实施例中，甚至 可W使用更高的容量电源和更大的感应线圈。
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