雙層卷焊管表面產生褶皺的原因

李 雯

(寶鋼研究院梅鋼技術中心，江蘇 南京 210039)

雙層卷焊管是一種將兩面鍍銅的冷軋鋼帶720°卷曲成型后，經電阻或感應加熱至1 100 ℃以上的釬焊溫度，以銅膜為釬料，將內外兩層管壁間360°周向結合面高溫焊合，再水冷制成的精密管材。為滿足不同用途的需要，管壁外徑一般為4.75～15 mm。由于這種焊管具有優良的抗疲勞、耐高壓、耐腐蝕等性能，被廣泛用于制作汽車液壓制動管、燃油管、供油管、家電冷凝管等。雙層卷焊管制成后，通常需在盤管機上盤繞成直徑0.8～1.5 m的捆卷再進行下道工序的加工。但在此過程中，焊管表面常會產生斜向45°左右的小褶皺，俗稱“屈服紋”，嚴重時有突起手感，影響管材的表面質量，見圖1。產生褶皺的焊管在拉伸機上進一步加大變形量時會產生明顯的藕節狀不均勻變形，如圖2所示。

圖1 有、無褶皺的管子的宏觀形貌Fig.1 Macrographs of the tubes with and without wrinkles

圖2 有、無皺褶的管子在拉伸試驗中的形貌Fig.2 Macrographs of the tubes with and without wrinkles during the tensile test

對類似問題的研究發現，將冷軋低碳鋼加工成成型件時，由于材質及變形工藝不當，極易在工件表面形成各類起棱、起皺和橘皮紋等缺陷，嚴重時還會開裂。據有關學者研究，類似缺陷的產生多與鋼板拉伸應力- 應變圖中的屈服點延伸密切相關[1- 2]。通過減小、消除、推遲或避開屈服點延伸，可有效地避免上述缺陷。如林紅春[3]通過減小變形量，并采用在鋼中添加微量鈦消除了沖壓件的表面起皺；張琦等[4]通過優化烘烤工藝消除了沖壓成形的薄壁容器表面的褶皺；王文祥等[5]通過預噴砂、避免熱處理等方法消除了鋼制拉伸藥筒的表面起棱；項志量[6]通過短時間人工時效降低拉伸應力- 應變曲線的斜率、推遲屈服點延伸消除了2024合金表面的滑移線；連福亮等[7]通過預變形消除了軸承保持器球兜內的皺紋。

鑒于雙層卷焊管表面褶皺與上述現象極為相似，本文也對其屈服點延伸與表面質量的相關性進行了研究，并分析了鋼帶材質、加工工藝等對該缺陷產生的影響。

1 雙層卷焊管盤管拉伸曲線分析

1.1 盤管變形

雙層卷焊管的盤管過程屬于薄壁管材無芯彎曲變形。當卷焊管由直管變為具有一定曲率的彎管時，管子外沿在切向拉應力的作用下產生伸長變形，表面褶皺大多發生于該部位。

(1)

圖3 卷焊管的盤繞形變參數Fig.3 Coiling deformation parameters of the brazed tube

表1 雙層卷焊管的盤繞參數Table 1 Coiling parameters for the double wall brazed tube

1.2 有褶皺卷焊管的拉伸應力- 應變圖

為找出焊管表面產生褶皺的原因，從直徑為9.52 mm的正常管和表面褶皺管各取150 mm長一段在INSTRON 5582拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率4 mm/min，結果列于表2。圖4為兩種卷焊管的拉伸應力- 應變圖。由這些結果可見，除表面褶皺焊管的強度略高于正常管外，兩種焊管的拉伸應力- 應變圖基本相同，都沒有明顯的屈服點延伸。但將拉伸應力- 應變圖放大后則可發現， 表面褶皺管在0.5%～1.0%的變形區間內存在一段短暫的屈服點延伸平臺，而正常管的相同部位則為平滑的曲線。關于屈服點延伸，王必磊等[9]在“關于低碳鋼屈服點延伸現象的研究現狀”一文中提到：有學者認為該現象是鋼板在自然時效或熱處理后，原間隙固溶于晶胞中的C、N原子從中析出并偏聚于位錯，與位錯發生交互作用形成柯氏氣團釘扎位錯，在鋼板發生拉伸變形時，當外力足以克服釘扎阻力時位錯脫釘，柯氏氣團對位錯的不斷釘扎和脫釘導致鋼板表面出現與試樣拉伸軸向成45°左右夾角的不均勻褶皺帶，也稱呂德斯帶。也有學者認為，呂德斯帶是基體內的間隙原子向晶界偏聚，強化了晶界，變形過程中位錯通過晶界時受到的阻力增大從而產生屈服點延伸。不論屈服點延伸的形成機制如何，由于屈服點延伸而導致鋼板變形時出現起皺已得到眾多學者的認可。從上文中對焊管盤管變形量的計算可知，雙層卷焊管盤管時的變形量基本為0.5%～1.0%，而褶皺焊管的屈服點延伸也恰好發生在該范圍，由此可以認為，焊管盤管時產生的褶皺正是這一變形區間的屈服點延伸所導致。

表2 卷焊管的力學性能Table 2 Mechanical properties of the brazed tube

圖4 有、無褶皺的卷焊管的拉伸應力- 應變圖Fig.4 Tensile stress- strain diagrams of the brazed tubes with and without wrinkles

2 影響卷焊管表面產生褶皺的因素

2.1 鋼帶材質對屈服點延伸的影響

一般認為，由屈服點延伸引起鋼板變形時表面發生褶皺需滿足兩個條件，即鋼板具有屈服點延伸和變形恰好發生在該屈服點延伸平臺。為此，分別選取由在連續爐退火的鋼帶(以下簡稱連退鋼帶)和在罩式爐退火的鋼帶(以下簡稱罩退鋼帶)制造的直徑為8.0 mm的卷焊管(鋼帶的主要成分如表3所示)，并分別取盤管變形前、后的卷焊管，按上述的拉伸試驗方法測定盤管前、后的力學性能(見表4)及拉伸應力- 應變圖(如圖5所示)。

表3 鋼帶的化學成分(質量分數)Table 3 Chemical compositions of the steel strip (mass fraction) %

兩種卷焊管的拉伸應力- 應變圖表明，連退鋼帶與罩退鋼帶均無明顯的屈服點延伸，但經卷曲成型及高溫釬焊后，由罩退鋼帶制造的焊管(以下簡稱為罩退焊管)出現1.2%的短暫屈服點延伸；但經過0.5%～1.0%的盤管變形后，屈服點延伸消失，拉伸應力- 應變曲線平滑，塑性變形均勻，焊管表面也無褶皺。而由連退鋼帶制造的焊管(以下簡稱連退焊管)在盤管前就存在5.3%的屈服點延伸，經過盤管變形后未能完全消除，仍有1.8%的屈服點延伸。產生上述差異的原因，可能是卷管在快速加熱至1 100 ℃以上的釬焊溫度時，鋼管中的滲碳體發生了一定程度的回溶，發生奧氏體相變后，晶胞內間隙固溶的碳含量大幅增加，并開始向位錯、晶界等缺陷處擴散，隨后冷卻時，由于冷速較快，少量碳原子析出為滲碳體，而更多的碳原子由于在位錯、晶界等處偏聚[10]，形成柯氏氣團或強化了晶界，增大了位錯通過的阻力，導致焊管屈服點延伸。這種連退焊管與罩退焊管盤管前存在的屈服點延伸差的原因，可能是連退焊管的碳含量較低，其滲碳體更細小，釬焊時更易回溶。此外由于退火方式的差異，連退鋼帶的固溶碳含量也較高，因此釬焊過程中，碳原子在位錯或晶界的偏聚更多，在以上兩種因素的共同作用下，一方面造成連退焊管的強度更高，另一方面屈服點延伸也更明顯。從這兩種材料卷焊管盤管前、后的拉伸應力- 應變圖可明顯地看出罩退焊管不易出現表面褶皺而連退焊管易發生褶皺的原因：盤管后，連退焊管的屈服點延伸未完全消除，當變形發生在該區間時即出現表面褶皺。

圖5 罩退鋼帶(a)和卷焊管(c)及連退鋼帶(b)和卷焊管(d)的拉伸應力- 應變圖Fig.5 Tensile stress- strain diagrams of (a) the steel strip and (c) the brazed tubes annealed in bell- type furnace, and (b) the steel strip and (d) the brazed tube annealed in continuous- type furnace

表4 鋼帶及卷焊管的力學性能Table 4 Mechanical properties of the steel strip and the brazed tube

2.2 釬焊溫度對屈服點延伸的影響

由上述分析可知，由于釬焊會造成焊管間隙固溶原子擴散，從而導致焊管屈服點延伸有差異。為進一步驗證釬焊溫度對焊管屈服點延伸的影響，又進行了不同釬焊溫度的試驗。試驗采用上述連退鋼帶在同一制管線上生產的φ4.76 mm卷焊管，卷管的釬焊溫度設定為1 130和1 105 ℃，分別對在這兩種溫度卷焊的鋼管在盤管變形前(直管)、后(彎管)進行拉伸試驗，其拉伸應力- 應變圖如圖6所示，力學性能如表5所示。

圖6 1 105 ℃釬焊的鋼管盤管前(4)、后(1)及1 130 ℃釬焊的鋼管盤管前(3)、后(2)的拉伸應力- 應變圖Fig.6 Tensile stress- strain diagrams of the tubes brazed at 1 105 ℃ before (4) and after (1) coiling as well as brazed at 1 130 ℃ before (3) and after (2) coiling

表5 不同溫度釬焊的卷焊管的力學性能Table 5 Mechanical properties of the tubes brazed at different temperatures

圖6表明，盤管變形前，3號和4號卷焊管均有屈服點延伸，但由于沒有變形，焊管表面正常。但1 105 ℃釬焊的4號管的屈服點延伸達4.2%，明顯比1 130 ℃釬焊的3號管2.3%的屈服點延伸更長。盤管后，兩種溫度釬焊的鋼管的屈服點均有所下降，屈服點延伸顯著減小，1 130 ℃釬焊的2號管盤管變形已基本消除屈服點延伸，鋼管表面光滑。而1 105 ℃釬焊的1號管還有0.5%屈服點延伸，表面顯現褶皺。

以上試驗結果說明，釬焊溫度對雙層卷焊管屈服點延伸及表面褶皺的產生有影響。據有關文獻[11- 12]報道，在相同條件下，隨著晶粒尺寸的增大，晶界密度降低，碳原子向晶界偏聚時在晶界上的分布比例減小，屈服點延伸也隨之減小。本文試驗結果表明，釬焊溫度越高，奧氏體相變越充分，晶粒也越粗大，因此屈服點延伸也越短。

3 結論

(1)雙層卷焊管表面褶皺的產生，是卷管高溫釬焊形成的屈服點延伸在盤管變形后未完全消除造成的，若變形發生在該屈服點延伸區間，則會在卷焊管表面形成褶皺。

(2)用不同鋼帶制造的雙層卷焊管，由于含碳量及退火方式的差異會造成其固溶碳含量的差異，當雙層管在快速加熱至1 100 ℃左右的釬焊溫度、外兩層管壁焊合時，由于滲碳體回溶度的不同，也會造成碳原子在位錯或晶界偏聚的不同，導致盤管變形前屈服點延伸的不同及變形后褶皺的差異。

(3)釬焊溫度對褶皺的產生也有顯著影響，這可能是由于在不同的釬焊溫度下滲碳體的偏聚程度不同，造成褶皺程度的差異。