熱軋雙層金屬復(fù)合管坯關(guān)鍵工藝參數(shù)壁厚比的研究*

何宗霖

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030009)

0 引言

目前雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)方法主要包括冷成型法、離心鑄造法、冷軋法、爆炸焊成型法等。其中，冷成型法基層和覆層鋼管僅僅是通過機(jī)械擠壓結(jié)合，結(jié)合層沒有形成冶金融合，容易在較大外力或較高溫度下引起結(jié)合面應(yīng)力的釋放而失效分離，結(jié)合強(qiáng)度較差；冷軋法僅局限于有縫鋼管的復(fù)合，且在目前條件下成本投資太大；離心鑄造法由于鑄造工藝所形成的粗大的鑄態(tài)組織，使得所得的復(fù)合管力學(xué)性能大打折扣；爆炸焊成型法復(fù)合層復(fù)雜，難以形成冶金融合，而且當(dāng)鋼管比較長的時(shí)候，炸藥的用量不好控制，在操作上易造成一定的危險(xiǎn)性。筆者所采用的復(fù)合管生產(chǎn)方法是利用三輥鋼管軋機(jī)熱軋復(fù)合管坯，以期生產(chǎn)出尺寸精度高、內(nèi)外管管面質(zhì)量好、復(fù)合層達(dá)到冶金融合強(qiáng)度的可滿足輕工、機(jī)械、石油、化工甚至核電等行業(yè)要求的復(fù)合管。本文針對(duì)三輥熱軋復(fù)合管在制坯過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)壁厚比做了相應(yīng)的仿真研究，為實(shí)際生產(chǎn)雙層金屬復(fù)合管的制坯工藝提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 復(fù)合管坯的制備

使用太原科技大學(xué)的三輥斜軋鋼管軋機(jī)(如圖1所示)進(jìn)行軋制試驗(yàn)，軋制鋼管型號(hào)為Φ67×6→Φ38×3，故管坯的總尺寸為壁厚6 mm、最大外徑Φ67 mm、長度為1 000 mm。

圖1 三輥斜軋鋼管軋機(jī)外形圖

對(duì)于復(fù)合管坯內(nèi)外管厚度的選取，采用如表1所示的3種制坯方案。坯料準(zhǔn)備好以后，再采用熱裝的方法，即對(duì)外管加熱到500℃左右，再將內(nèi)外鋼管套裝在一起，然后冷卻至常溫即可完成制坯。

表1 復(fù)合管厚度配比方案

2 有限元模型的建立

通過對(duì)該軋機(jī)進(jìn)行實(shí)際測量，得到關(guān)鍵工作部件的基本尺寸，并利用DEFORM有限元軟件進(jìn)行建模，得到的三輥斜軋復(fù)合管有限元模型如圖2所示。

圖2 三輥斜軋復(fù)合管有限元模型

具體軋制過程為：三軋輥同時(shí)做等速同方向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，軋輥表面呈傾斜狀態(tài)，有一定的咬入能力；出口相比入口較小，保證了減壁量；推塊的作用是給予復(fù)合管坯一定的初始速度，當(dāng)復(fù)合管坯接觸到三軋輥的瞬間，在巨大的咬入力作用下完成后續(xù)的軋制過程；而芯棒的作用是保證出口處的成品復(fù)合管不會(huì)發(fā)生彎曲變形。

2.1 網(wǎng)格的劃分

利用DEFORM自帶的網(wǎng)格劃分功能對(duì)3種復(fù)合管坯方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用圓環(huán)輥軋模塊，對(duì)復(fù)合管的外管和內(nèi)管分別做六面體網(wǎng)格劃分，再將其組合到一起。為了保證計(jì)算精度和運(yùn)算速度，網(wǎng)格數(shù)目控制在10萬個(gè)單元以下，網(wǎng)格最小邊緣尺寸為3.3 mm。3種復(fù)合管坯網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 3種復(fù)合管坯網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件定義

根據(jù)三輥斜軋機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速換算可以計(jì)算出軋輥的回轉(zhuǎn)角速度，故定義三軋輥角速度都為16.7 rad/s，回轉(zhuǎn)方向一致。推塊的初始速度定義為10 mm/s。當(dāng)復(fù)合管坯與軋輥接觸即發(fā)生咬入，由于咬入后軋制速度遠(yuǎn)大于推塊的速度，因此推塊在軋制過程中自動(dòng)與復(fù)合管坯發(fā)生分離。軋制溫度定義為800 ℃。

2.3 接觸關(guān)系定義

三軋輥與復(fù)合管外管的接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數(shù)根據(jù)測量定義為1.67。芯棒與復(fù)合管內(nèi)管的接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數(shù)根據(jù)測量定義為0.3。推塊與內(nèi)外復(fù)合管坯接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數(shù)根據(jù)測量定義為0.3。內(nèi)外復(fù)合管坯定義為不可分離，不需要摩擦因數(shù)。

2.4 模擬控制

采用ALE滾壓法模擬，模擬步數(shù)設(shè)置為20 000步，儲(chǔ)存步數(shù)間隔100，結(jié)果步數(shù)定義為隨時(shí)間增量，常數(shù)為0.001 s。網(wǎng)格重劃分干涉深度設(shè)為相對(duì)，為了保證仿真的收斂性，相對(duì)值取為0.7。求解器選用稀疏矩陣法，并采用直接迭代法。

3 后處理分析

方案1復(fù)合管成品質(zhì)量如圖4所示，可見復(fù)合管內(nèi)管在軋制出口處出現(xiàn)了嚴(yán)重的破裂，其原因是內(nèi)外管材料塑性變形的不一致導(dǎo)致軋輥在碾壓區(qū)軋制時(shí)在接觸面產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過了內(nèi)管的強(qiáng)度極限，內(nèi)管就出現(xiàn)了破裂。繼續(xù)軋制將導(dǎo)致內(nèi)管被外管的塑性變形所拉斷。

方案2復(fù)合管成品質(zhì)量如圖5所示，可見內(nèi)外管都發(fā)生了一定程度的塑性變形，但塑性導(dǎo)致金屬在軋制方向的頭部流動(dòng)出現(xiàn)了明顯的不一致。繼續(xù)軋制下去會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外管出現(xiàn)重合度過低的狀態(tài)，在生產(chǎn)實(shí)際中沒有太大的使用價(jià)值。

圖4方案1復(fù)合管內(nèi)管成品質(zhì)量圖

圖5 方案2復(fù)合管成品質(zhì)量圖

方案3復(fù)合管成品質(zhì)量如圖6所示，可見內(nèi)外管塑性變形基本一致，尾部質(zhì)量比較平整，頭部由于在軋制過程中屬于自由態(tài)，沒有約束，因此出現(xiàn)了不太平整的塑性變形，但相比方案2可以看出，內(nèi)外管在軋制中塑性變形基本一致，成品重合度高，建議在實(shí)際生產(chǎn)中使用。

圖6 方案3復(fù)合管成品質(zhì)量圖

4 結(jié)論

(1) 本文利用DEFORM軟件建立了三輥熱軋?zhí)间撆c不銹鋼復(fù)合管的有限元模型，結(jié)合實(shí)際軋制過程，確定其邊界條件、模擬參數(shù)及接觸關(guān)系。完整地模擬了不同壁厚45鋼與316不銹鋼的三輥熱軋過程。

(2) 根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，對(duì)比分析了三輥熱軋復(fù)合管坯的過程中外管與內(nèi)管壁厚比為2∶1時(shí)的破裂原因和外管與內(nèi)管壁厚比為1∶1時(shí)金屬塑性變形不一致的原因，最終確定了外管與內(nèi)管壁厚比為1∶2為最佳制坯方案。