雙金屬復合無縫鋼管三輥連軋成型過程的數值模擬

顧 瑄，馬 敘，王獻抗

(1.天津交通職業學院，天津 300110；2. 天津理工大學 材料科學與工程學院，天津 300384；3. 天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

雙金屬復合無縫鋼管三輥連軋成型過程的數值模擬

顧 瑄1，馬 敘2，王獻抗3

(1.天津交通職業學院，天津 300110；2. 天津理工大學 材料科學與工程學院，天津 300384；3. 天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

通過Y型三輥二道次冷軋不銹鋼/碳鋼無縫管雙金屬復合材料成型過程模擬，得到了雙金屬復合無縫鋼管界面處的結合強度，繪制了無縫鋼管成型過程中的軸向應力、徑向應力和環向應力，并且對成型鋼管的管徑與壁厚分布進行了說明。研究成果可為復合無縫鋼管成型的工藝參數設計提供參考依據。

雙金屬復合無縫鋼管；三輥兩道冷軋；數值模擬

0 前言

不銹鋼/碳鋼雙金屬復合無縫鋼管復合材料成型過程模擬是呈多重非線性。目前，關于冷軋雙金屬復合無縫鋼管內應力的分布，暫時還沒有相關理論文獻的報道，由于缺乏理論的分析，在試制雙金屬無縫鋼管時，設計的工藝參數只能用傳統的經驗設計來生產復合無縫鋼管。

本文研究的復合無縫鋼管對象為外層不銹鋼、內層碳鋼，通過研究復合鋼管軋制成型過程，得到了界面處粘結復合機理，并獲得了坯料軋制過程中的內應力分布以及內應力與成型管的直徑、壁厚的影響。研究成果可為生產復合管類或板材類的工藝提供理論參考。

1 有限元模型與邊界條件

雙金屬復合無縫鋼管三輥兩道次冷軋過程的有限元模型如下圖1所示，生產復合無縫鋼管的坯料由外層碳鋼Q235、內層SUS316L不銹鋼組成。管坯的材料模型均采用由實驗獲得的真實應力應變材料曲線。在計算中，采用了多個線性動力強化材料模型和米塞斯屈服準則，采用了直接約束法來匹配接觸算法。

圖1 鋼管軋制過程有限元模型Fig.1 Finite element model of two cold-rolling

2 計算結果與分析

2.1 界面結合強度分析

在雙金屬復合鋼管界面位置，復合鋼管的等效應力分布如圖2所示?？梢灾溃跓o縫鋼管的界面位置，平均等效應力為400MPa，最大的等效應力可達420MPa。結合區域的界面粘結強度，使用下面的公式確定[1]:

σ=f1σt1+f2σt2

式中，σ為復合鋼管的界面處的結合應力強度值；σt1為外層管坯316L不銹鋼的塑性硬化變形抗力應力值；σt2為內層管坯Q235鋼塑性硬化變形抗力應力值；f1為外層管坯不銹鋼覆層厚度的權值；f2為內層管坯Q235鋼基層厚度的權值。通過上述公式可評估復合鋼管軋制成型后界面處的粘結強度，由粘結強度來判斷鋼管的復合效果。

將外層管坯不銹鋼與內層管坯碳鋼的變形抗力應力值代入上述公式，可求出復合鋼管的界面粘結強度，得到粘結強度約為414 MPa，說明在無縫鋼管的界面處已達到相互結合的條件，能實現無縫鋼管的界面可靠的結合。

圖2 復合鋼管在界面處的等效應力Fig.2 Interface equivalent stress below the rolling mill along the circle in NO.2 stand

2.2 應力分布及應力分布對成型鋼管直徑和壁厚精度影響的機理

2.2.1 穩定軋制階段應力分布

圖3為復合鋼管軋制過程的示意圖，圖4為穩定軋制階段的鋼管外徑、界面與內壁處沿周向的軸向應力、徑向應力、環向應力分布。

圖3 無縫鋼管軋制過程示意圖Fig.3 Rolling process diagram

鋼管軋制過程中的應力分布具有如下規律：

(1)軸向應力對比分析。如圖4a、4c和4e所示，從軸向應力分布曲線可以看出，在鋼管的外徑處，輥縫與輥縫臨近區域分別為拉應力與壓應力，數值均為180 MPa。在復合鋼管的界面，最大的軸向拉應力和壓應力發生的位置與外徑一致，但應力值略有減小。在鋼管的內壁位置，軸向壓應力相對外徑與內壁的應力值較小，而內壁處的拉應力則增加，最大拉應力為200 MPa，而最大的拉應力和壓應力發生的位置與外徑、界面處一致。

由圖4b、4d和4f可知，管坯經第二道次軋制成型時，外壁處軸向應力分布呈現“W”型分布，且應力值有正值也有負值。在第一道次軋輥輥縫臨近區域為壓應力，為150 MPa；在第二道次軋輥輥縫處為拉應力，為210 MPa。界面與內壁有類似的規律分布。

(2)環向應力對比分析。如圖4所示，分析鋼管的環向應力分布曲線可知，在第一道次軋輥處，鋼管的外徑、界面與內壁處的應力均為壓應力，且最大值的位置均發生在軋輥的輥縫附近處，最小壓應力發生在軋輥的輥縫與軋輥下方位置，且最大環向壓應力分別為100 MPa、40 MPa、30 MPa。在第二道次軋輥處，鋼管的外徑均為壓應力，且最大環向壓應力主要集中在第二道次軋輥的下方，數值為400 MPa，在軋輥的輥縫附近的環向應力相對其它位置較小。

(3)徑向應力對比分析。徑向應力與環向應力的大小基本相等，分布規律較為類似。

圖4 復合鋼管軋制過程的三向應力曲線Fig.4 Three-dimensional normal stress distribution curve of the double metal composite seamless steel tube in stable rolling stage

2.2.2 應力分布對鋼管軋制后的直徑與壁厚精度的影響

經軋制成型后，復合鋼管的直徑與壁厚的分布如圖5所示。由圖5可知，經過第一道次的軋制，鋼管的外壁在輥縫處有較大的壁厚與直徑。由曲線可知，鋼管在第一道次軋輥的三個輥縫處產生了三個小的凸耳，在內壁處也同樣產生了三個小的凸耳，但不明顯。

經過第二道次軋制后，由于第二道次的軋輥與第一道次軋輥的布置方式相反，故，在第一道次軋制后產生的凸耳剛好處于第二道次軋輥的下方，經軋制成型后后，鋼管的凸耳變小。而第二道次軋輥的輥縫位置也出現了三個較小的凸耳，由曲線可知，經過兩道次的軋制成型，鋼管的直徑與壁厚已經非常的接近成型鋼管的標準值。

由圖5可知，在軋制過程中，鋼管在軋輥下方以及輥縫附近區域具有較高精度的成型質量，而在輥縫處，鋼管的直徑、壁厚與標準值相差較大。由兩道次軋制過程中鋼管外徑應力分布規律可知，在第一道次軋輥的輥縫位置有較大的軸向拉應力，其余兩向應力則較小；在軋輥輥縫附近處，存在著較大的環向和徑向壓應力，軸向壓應力相對較小。所以，鋼管軋制成型后的直徑與壁厚質量主要由軸向拉應力決定。

圖5 復合鋼管軋制成型后直徑與壁厚分布Fig.5 Curve of the seamless steel tubeforming diameter and wall thickness

3 結論

(1)通過研究復合鋼管軋制成型過程，得到了界面處粘結復合機理，并獲得了坯料軋制過程中的內應力分布以及內應力對成型管的直徑、壁厚的影響。研究成果可為生產復合管類或板材類的工藝提供理論參考。

(2)通過本文對成型后復合鋼管的直徑、壁厚的研究，可為軋輥的設計、軋輥的孔型選取以及軋輥個數的選取具有一定的參考價值。

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Numerical simulation on double metal composite seamless steel tube forming process of three-roller continuous rolling

GU Xuan1, MA Xu2, WANG Xian-kang3

(1.Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110，China；2.School of Material Science & Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China;3.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

A finite element analysis of the elastic-plastic by applying the MSC.MARC software was put forward, the numerical simulation of the Y shape three roll two cold-rolling stainless steel/carbon steel double metal composite seamless steel tube process was conducted. Based on the numerical simulation, the interface bonding strength during the Y shape three roll two cold-rolling were obtained by the finite element analysis. The distribution of the axial stress, circle stress and radial stress were drawn below the Y shape rolling mill along the circle. The mechanism of the tube cold-rolling process and the effect of the forming steel tube both the diameter and wall thickness accuracy were explained according to the stress distribution. The results of the research can be applied to the design of the technical parameters in the forming process.

double metal composite seamless steel tube; three roll two cold-rolling; numerical simulation

2016-03-04；

2016-03-21

國家自然科學基金項目(50975205) ；天津市科技發展計劃項目(12ZCZDGX00600)

顧瑄 (1973-) ，女，天津交通職業學院副教授，研究方向：固體力學數值方法及其應用。

TG335.7

A

1001-196X(2016)03-0059-04