雙層卷管成型過程及異常分析

李 雯

（寶鋼研究院 梅鋼技術中心， 南京 210039）

輥彎成型是以帶鋼為坯料， 通過多組具有一定表面形狀的成型軋輥所組成的成型機組對坯料逐步進行彎曲變形， 從而得到截面均一的產品塑性加工方法[1]。 對圓形截面而言， 目前的研究大都集中于采用有限元方法對以HFW 為代表的大管徑單層直縫焊管成型時鋼板的應力應變規律的探索[2-5]， 少部分則為近圓截面單層管的成型、 回彈、 孔型設計等[6-9]， 最終管材僅要求焊縫對中，對管材圓度、 壁厚、 尺寸精度等要求相對不高。

雙層卷焊管[10-11]是一種將兩面鍍銅的冷軋鋼帶720°卷曲成型后， 經高溫加熱， 以銅膜為釬料完成內外兩層管壁焊合的精密焊管， 根據用途不同， 帶鋼厚度一般為0.25～0.5 mm， 管材外徑一般為4.75～15 mm， 屬于薄壁小管徑冷彎焊管。由于采用雙層管壁且360°周向焊合工藝， 該類焊管具有優良的抗疲勞、 耐高壓、 耐腐蝕等特點， 被廣泛用于制作各種汽車液壓制動管、 燃油管、 供油管、 家電冷凝管等。 但也正因為其管壁薄、 管徑小、 圓度要求高， 且內外兩層管壁需緊密貼合， 因此， 其成型過程與僅完成360°卷曲、焊縫對中即可的單層管有較大不同， 除720°卷圓外， 還需要中心芯棒配合， 最后一道軋輥對管壁周向進行整形、 定徑， 以滿足圓度、 壁厚、 管材直徑等精度要求[12]。

1 雙層卷管成型特點分析

雙層卷焊管成型大都采用直角邊定位非對稱成型法[13-15]。 帶鋼水平進入成型機組后， 首先相應于管筒外層搭接處的帶鋼由定位小立輥向上卷起軋成90°直角邊， 為后續卷曲成型提供橫向定位支撐， 然后相應于內層搭接處的水平鋼帶向上卷起， 由小水平輥軋成一個90°圓弧， 接著通過幾組大立輥與小水平輥的交替配合， 在前述軋出的內層側90°圓弧的基礎上將鋼帶連續地、 逐漸從其寬度方向往內卷曲， 使之成為一個從內層側卷起540°的圓周， 最后， 再將最初軋成的90°直角邊卷圓形成外層搭接， 其成型輥照片如圖1 所示。 在上述過程中， 中心芯棒的作用十分重要，其一方面與最后一組定徑輥對卷筒壁厚進行一定的壓縮變形， 保證兩層管壁緊密貼合滿足后續釬焊要求； 另一方面也可大大提高焊管尺寸精度，雙層卷管芯棒定徑如圖2 所示。

圖1 雙層管成型輥照片

圖2 雙層卷管芯棒定徑示意圖

對整個成型機組而言， 在小立輥90°直角邊定位后， 開口半圓孔型的小水平輥需在帶鋼前進方向上依次縮進， 以滿足連續卷圓的要求。 為了進一步研究不同管徑、 不同壁厚雙層管在成圓過程中各軋輥及芯棒的排布要求， 下面對其成圓過程進行簡要分析。

由于筆者對成型機組軋輥排布的研究是以帶鋼正常成型為基礎， 暫不考慮帶鋼在卷起時的縱向延伸， 即將帶鋼在每一個軋輥內的變形認為是平面變形， 因此， 軋輥縮進排布可簡化為一個平面變形過程。 對于外徑為Φ， 帶鋼厚度為h 的雙層卷管， 由于該類管材壁厚較薄， 可假設內外管壁的中間層位置均居中 （如圖3 所示）， 由此可得：

圖3 雙層卷管橫截面示意圖

設第一道軋輥可使帶鋼內圈卷曲90°， 則按圖4 所示， 第一道軋輥的絕對縮進量Δb2為

其相對縮進量Δ2為

因此， 帶鋼內圈卷圓90°時， 其軋輥的絕對縮進量雖由卷管內圈中間層直徑決定， 但相對縮進量卻是一固定值36.3%。

圖4 帶鋼90°卷曲變形曲線

中心芯棒頭部固定于成型機組入口， 端部位于成型機組最后一道軋輥中間， 與軋輥一起對管壁進行最后的壓縮整形， 由于外圈180°卷曲為直角定位邊逆向卷曲， 因此， 為滿足連續成型要求，內圈540°卷曲時芯棒與成型機組縱向需保持一定的傾角θ， 雙層卷管芯棒斜率計算如圖5 所示。

圖5 雙層卷管芯棒斜率計算示意圖

參照文獻[9]中對芯棒傾角的計算， 對于帶鋼寬度為D、 變形區長度為L 的成型機組， 芯棒斜率tgθ 可按公式（6） 進行計算， 即

從公式 （6） 可以看出， 中心芯棒的斜率由管徑、 壁厚、 機組成型區長度共同決定。 當已知機組成型區長度、 卷管管徑和壁厚時， 即可計算出芯棒傾角θ； 反之， 當已知芯棒傾角后，即可根據內圈管卷曲長度計算成型長度， 即該成型部位的成型輥位置。 表1 為設定成型區長度為1 100 mm 時， 不同管徑、 壁厚雙層卷管所需要的芯棒斜率的計算結果。

表1 設定成型區長度為1 100 mm 時，不同規格雙層卷管芯棒斜率計算結果

2 雙層卷管生產異常分析

在上述分析基礎上， 下面針對一種成型異常現象進行分析。 該異常樣管在生產時的主要表現為芯棒摩擦阻力大， 生產困難， 成品管外焊縫搭接不足 （如圖6 所示）， 存在質量風險。 為研究異常原因， 在最后一道芯棒與定徑輥配合進行壁厚壓縮整形前、 后各取一段正常管與異常管， 對比發現定徑前異常管內壁明顯成圓不良， 正常管內壁成圓較好， 但經過定徑輥后， 兩種管的內壁成圓均良好， 無明顯目視差別。 圖7 為成型異常管和正常管的縱切、 橫切外形照片。 定徑前兩種管子制成鑲嵌樣后， 異常管內壁成圓不良位置大約距內壁起點逆時針旋轉220°處。

圖6 外焊縫搭接不足

圖7 成型異常管和正常管的縱切、橫切外形照片

2.1 定徑異常分析

為判斷異常樣管經過芯棒與定徑輥擠壓后的變形是否正常， 取兩種樣管定徑前、 后內外焊縫搭接區域與內圈成型180°區域兩個部位測量維氏硬度及壁厚， 并按照 “硬化率= （形變后硬度－形變前硬度） /形變前硬度” 公式計算硬化率（見表2）。 同時， 通過稱重法計算變形前單位質量帶鋼長度及定徑前、 后管子的單位質量長度，按照 “變形率= （形變前單位長度－形變后單位長度） /形變前單位長度” 公式計算管子的變形率 （見表3）， 正常管與異常管定徑前、 后壁厚測量結果如圖8 所示。 表2 和表3 中的1#為成型異常卷管， 2#為成型正常卷管。 通過兩種管變形前、 后其厚度、 硬化率及變形率可明顯看出，1#異常管雖經定徑輥后內壁圓度良好， 但與正常成型的2#管相比較有以下幾點不同： ①1#異常管變形前后壁厚大約都為500 μm， 基本無變化，而成型正常的焊管， 變形前壁厚360 μm 左右，成型后壁厚300 μm 左右， 壁厚明顯減薄； ②1#異常管各部位硬化率均只有11.5%， 與正常管33.3%的硬化率相比差異明顯； ③1#異常管定徑后的變形率只有3.56%， 與正常管的變形率13.51%相比差距較大。 綜上所述， 卷管在通過定徑輥時， 本應與定徑輥中心處于同一垂直位置， 共同擠壓鋼帶的芯棒端頭中心位置已偏離，異常管未受到擠壓， 由于在過定徑輥前卷圓不良， 內壁明顯小于正常管， 因此， 卷管在沿前進方向通過芯棒時， 雖可由芯棒端頭強行外擴整圓， 但導致芯棒與帶鋼間摩擦力極大， 生產困難。 同時， 管徑外擴還會導致管子外焊縫處搭接外展， 導致焊縫開裂， 產生質量隱患。

表2 正常管與異常管硬化率計算結果

表3 正常管與異常管變形率計算結果

圖8 正常管與異常管定徑前、后壁厚測量結果

2.2 成型異常分析

為了進一步分析上述異常管內壁成圓不良的原因， 可結合前述雙層管成圓過程進行計算。 已知異常卷管外徑Φ=12 mm、 帶鋼厚度h=0.5 mm， 成型機組變形區長度L=1 100 mm（即第一個成型輥到內圈卷曲540°時最后一個成型輥的距離）， 根據公式（6） 可計算芯棒斜率tgθ=4.71%。 當機組芯棒斜率確定后， 將管徑Φ、壁厚h、 內圈卷曲角度α=220°帶入公式 （7） 可計算出內圈卷曲α 時距成型輥的距離l， 即

當360°＜α＜540°時， 可由公式（8） 來計算

針對上述異常管， 通過管身不同位置橫截面的分析， 發現其卷曲異常的位置均在內圈220°附近， 這說明影響其成型的是固定位置的軋輥， 即距成型區427.7 mm 附近的軋輥， 通過上述方法可快速計算影響成型的軋輥位置，并通過對孔型及異常輥間隙等調整， 消除內圈成型異常。 此外， 再通過芯棒端部中心位置與定徑輥的對中， 即可解決上述管材生產異常的問題。

3 結 論

（1） 通過分析雙層卷管的成型過程， 確定了帶鋼內圈每卷圓90°時， 其軋輥的絕對縮進量由卷管內圈中間層的直徑決定， 但相對縮進量卻為一固定值36.3%。

（2） 為保證卷管連續成型， 雙層管的中心芯棒需保持一定的斜率， 該斜率由管徑、 壁厚、 機組成型區長度共同決定。

（3） 當計算出芯棒斜率后， 即可通過內圈卷曲角度計算出該成型輥在整個成型機組的具體位置， 協助進行卷曲異常輥的調整。