薄壁金屬家具管管面抖紋形成機理及其預防

曹國富，曹 笈

（浙江嘉興夏禹科技有限公司，浙江 嘉興 314305）

表面質量是薄壁金屬家具管的“臉面”，做好表面質量，薄壁金屬家具管的生產就成功了一半。然而，像抖紋這種對金屬家具管而言無疑屬于致命質量問題的表面缺陷，卻常常因為徒手摸不到、粗略看不到以及難定性、難定量而在諸多焊管標準、包括金屬家具管標準中難覓蹤影［1-14］。但是大多數金屬家具制造企業對管面抖紋還是很在意的；因為即使發現了抖紋缺陷并進行電鍍、噴塑、電泳和噴漆等表面處理，仍然不能掩蓋其缺陷。因此，找出抖紋形成機理，從源頭上預防抖紋缺陷的產生，很有必要。

1 抖紋類型與共性

所謂抖紋，是指金屬家具管管面上存在的形似木紋形、魚鱗形或月牙形等紋路，具體如圖1 所示。因這些紋路在光線照射下若隱若現，有抖動的視覺效果，故稱其為抖紋。不管哪種抖紋，它們在清晰度、紋路、部位、周期性和產生的焊管規格等方面具有共性。

（1） 清晰度。管面上的抖紋通常若隱若現，徒手摸不到，粗略看不到，只有采用特殊方法才能觸摸到，在特殊入射角度光線和視角下才能看到，要憑借專門檢測工具才能檢測出來。

（2） 紋路。不論是木紋、魚鱗紋或是月牙紋，均沿管面縱向分布，與焊縫平行。

（3） 出現部位。抖紋主要集中在焊管底部、距焊縫60°～90°和焊縫兩側，而且這些部位分別與木紋形、魚鱗形和月牙形抖紋對應。2016—2019 年某企業抖紋缺陷出現部位見表1。

圖1 抖紋種類示意

表1 2016—2019 年某企業抖紋缺陷出現部位統計

（4） 周期性。許多抖紋呈周期性出現規律，尤其是軋輥因素引起的抖紋，如木紋和魚鱗紋。

（5） 焊管規格。不是所有的焊管都會產生抖紋，抖紋出現在薄壁管上的概率最高，這是由抖紋形成機理決定的。

2 抖紋形成機理

2.1 木紋形抖紋形成機理

木紋形抖紋形成機理與焊管管坯的實腹軋制和空腹軋制密不可分。

2.1.1 實腹軋制

（1） 同一孔型面上的速度差異因素。焊管生產中的實腹軋制主要是指使管坯產生0～300°變形所進行的軋制，其中變形角在180°≤θ≤300°的成型平輥最可能產生焊管底部木紋形抖紋。軋輥孔型面前、后滑區及滾動速度如圖2 所示，在軋輥孔型面上，各點線速度均不相同，除了理論上認為滾動直徑那一點的線速度與管坯運行速度一致外，其余各點的線速度不是比滾動直徑線速度大，就是比滾動直徑線速度小。以滾動直徑為界，可以把平輥孔型面分成3 個區域：上輥為后滑區—前滑區—后滑區，下輥為前滑區—后滑區—前滑區，速度關系為：

式中 VSH—— 上輥后滑區線速度，m/s；

VSG—— 上輥滾動直徑線速度，m/s；

VSQ—— 上輥前滑區線速度，m/s；

VXH—— 下輥后滑區線速度，m/s；

VXG—— 下輥滾動直徑線速度，m/s；

VXQ—— 下輥前滑區線速度，m/s。

圖2 軋輥孔型面前、后滑區及滾動速度示意

軋輥孔型面上的速度差異在剛性管坯作用下，除滾動直徑外，其余各區間相對管坯都存在滑動趨勢，并引起孔型面上這些區域內的較軟金屬發生緩慢流動，進而堆疊；滑動速度越大、受力越大的區域金屬流動與堆疊越多。在圖2 中，上輥前滑區線速度VSQ最快，前滑趨勢最大，軋制力施力效果最好；下輥后滑區線速度VXH最低，后滑趨勢最大，軋制力施力效果亦最好。

（2） 孔型面上軋制力效果的因素。以圖2 所示下輥孔型面為例，雖然各點對管坯施加的軋制力P相同，但是管坯變形效果即迫使管坯變形的變形力f 卻不同，這是因為軋制力P 與變形力f 在圓弧孔型面上的分布規律遵循公式（2）：

孔型面上金屬流動量及軋制力P 與變形力f 的關系如圖3 所示。顯然，在圖3 的軋輥孔型面上，下輥后滑區的變形力fH最大，并等同于該區域的軋制力P；越往孔型邊部變形力越小，孔型邊緣Q處的變形力fQ最小。這樣，當大變形力區域fH與大后滑趨勢的區域VXH疊加后，促使下輥后滑區的金屬流量多于前滑區的，金屬堆疊量就會比前滑區域明顯，如此堆疊的結果是：在圖3 所示下輥孔型后滑區域內出現一道道木紋形波浪。

在圖3 所示的堆疊區域中，漸變色較深的下輥底徑部位表示堆疊的金屬多，既說明金屬流動具有方向性，又說明下輥后滑區內的金屬流動方向與軋輥旋轉方向相反。

圖3 孔型面上金屬流動量及軋制力P 與變形力f 的關系

同理，上輥前滑區的金屬流量比后滑區多，流動方向與下輥后滑區內的金屬流動方向相反。

（3） 孔型面木紋形波浪與管面木紋形抖紋的關系。孔型面木紋形波浪與管面木紋形抖紋的關系表現在形狀和深度兩個方面：就形狀而言，管坯底部木紋形抖紋是孔型面上木紋形波浪隨著軋輥轉動拓到管面上形成的；一個木紋形抖紋的形成過程是先有木紋形尾（淺色），后有木紋形頭（深色）。形成的管面抖紋具有明顯周期性特征，但是在同一個周期內的抖紋形貌和大小不盡相同。

筆者對孔型面木紋形波浪和相應焊管上木紋形抖紋進行了數十次測量，結果顯示孔型面木紋形波浪峰谷值一般不會超過0.02 mm，管面木紋形抖紋波動值均小于孔型面上木紋形波浪的峰谷值，且沒有尖棱與突兀，手感都不明顯。

需要指出的是：軋輥孔型面金屬的這種緩慢流動不僅會發生在下輥孔型面上，上輥孔型面也會產生；成型管筒內壁底部也會產生抖紋，只不過內壁抖紋不影響觀瞻，更不易察覺，從而易被忽視。

此外，根據金屬壓力加工原理，與厚壁管比，在相同軋制力情況下，薄壁管更容易被軋輥孔型面上的木紋形波浪軋出痕跡，所以存在抖紋缺陷的焊管以薄壁管居多。

2.1.2 空腹軋制

空腹軋制平輥如定徑平輥致使焊管底部形成木紋形抖紋的機理除了與實腹軋制類似外，還有以下兩個重要成因。

（1） 非工藝因素的不同步。工藝因素的不同步是指，根據高頻直縫焊管的軋制要求，必須使定徑平輥滾動直徑處的線速度略大于管坯運行速度，以確保運行管坯在縱向保持微張力。一般認為，在這樣的軋制工藝下，既能保證焊管軋制順利進行，又不會在軋制過程中發生焊管擁堵或拉細，更不會造成定徑平輥孔型面出現波浪。但是，如果沒有嚴格執行軋輥修復工藝，導致成型平輥與定徑平輥的速度差超出工藝規定要求；加之成型平輥至少有4 道軋輥對管坯進行實腹軋制，而實腹軋制的摩擦力比空腹軋制的定徑平輥（一般也是4 道）大，驅動管坯運行效果也好于空腹軋制的定徑平輥，這樣定徑平輥相較管坯更容易發生打滑，引起定徑平輥孔型面金屬流動。同理，對雙拖動機組而言，如果成型機與定徑機之間的速度控制不當，那么打滑的首先是定徑平輥，隨后是孔型面上金屬流動與堆疊，產生木紋形波浪，繼而在軋制力作用下拓到管面上形成木紋形抖紋。

（2） 定徑下輥孔型面溫度高于上輥。定徑平輥的冷卻方式通常是冷卻液先淋到上輥孔型，然后流經管面，最后只有少部分流到下輥孔型面。因此，下輥孔型面的溫度比上輥高，長時間運行的結果是：下輥孔型面上的低溫回火效應比上輥明顯（實腹成型下輥的冷卻與之比較有過之無不及），下輥表面硬度丟失快；另一方面，下輥孔型底徑部位受到焊管的反作用力最大，下輥孔型底部就在最大作用力、表面硬度丟失速度快以及滑動趨勢等因素共同作用下發生金屬流動與堆疊，進而形成焊管底部木紋形抖紋。

2.2 魚鱗形抖紋形成機理

2.2.1 魚鱗形抖紋特征

魚鱗形抖紋具有寬度窄小、縱向密集、位置對稱以及輕微減薄等特征。解剖魚鱗形抖紋所在部位，隱約看見距焊縫60°～90°的管內（焊管外壁經多道軋輥的軋制更加模糊）兩側各有一道光亮地帶，根據經驗，認為這種光亮地帶是冷軋留下的痕跡；進一步檢測證明，與光亮地帶附近的壁厚相比，光亮地帶的平均壁厚均存在不同程度減薄，具體見表2。

2.2.2 魚鱗形抖紋成因

根據拓撲原理，能夠在管坯上留下如此“冷軋痕跡”的只能是第一道W 成型軋輥。

（1） W 孔型的磨損特點。W 孔型磨損如圖4所示。W 孔型的主要優點是在不影響管坯邊部變形效果的前提下，管坯邊緣相對升起高度低，邊緣延伸少，不易產生成型鼓包，特別有利于薄壁管成型。但是，由于W 孔型存在4 個拐點C、C′和F、F′，拐點C、C′和F、F′之間的孔型對管坯進行空腹軋制，拐點之外的孔型對管坯實施實腹軋制，孔型實軋部位的磨損量是空軋部位的數倍，磨損差異致使上下孔型出現畸形磨損（圖4b）。在圖4（b）中，以孔型左側為例，下輥孔型段磨損最嚴重，但是基于類似公式（2）的原因，越接近拐點C 磨損越少，拐點附近變得凸出；同理，上輥孔型段磨損最多，但越接近拐點F 磨損越少，拐點附近也逐漸變凸。

表2 魚鱗形抖紋寬度與壁厚減薄量、減薄率①

圖4 W 孔型磨損示意

某企業借助數控機床對Φ25 mm×0.5 mm、Φ32 mm×0.6 mm、Φ60 mm×1.0 mm 和Φ76 mm×1.0 mm 規格W 孔型下輥進行檢測，具體結果見表3，數據與上述分析完全吻合，并據此做出了W 孔型磨損軌跡，如圖5 所示。圖5 的意義有3 個：①W孔型下輥的磨損量呈現W 形態，中間磨損量最少，邊部磨損量次之，磨損主要集中在孔型底部與邊部；②孔型磨損并不完全對稱，說明孔型兩邊施加的軋制力不對等；③孔型拐點處磨損最輕。W 孔型上輥的磨損規律與下輥基本相同。

表3 不同W 孔型下輥關鍵點磨損量

磨損后的AC、EF 段孔型間隙比設計間隙管坯厚度t大很多，而上下孔型拐點間的間隙只略大于t。當管坯進入孔型后，若要繼續對約B/4 管坯邊部實施實軋，即讓磨損后之間孔型間隙仍然等于t，則上下孔型拐點間的間隙CF 必然小于t，此時拐點附近管坯勢必處于冷軋壓延狀態，管坯局部被軋薄延伸（圖4c）。可是，金屬秒流量原理和焊管生產工藝并不允許管坯局部被壓延伸長。

（2） 金屬秒流量原理。根據金屬秒流量相等原理，有：

式中 ti—— 進第i 道成型平輥時的管坯厚度，mm；

Bi—— 進第i 道成型平輥時的管坯寬度，mm；

Li—— 第i 道成型平輥與第i+1 道成型平輥中心距之間的距離，mm；

圖5 不同規格W 孔型下輥的磨損量

L —— 管坯在成型區的長度，mm。

在成型工藝正常的情況下，考慮成型余量因素后，認為管坯橫截面積不變，即管坯厚度和寬度均不變化。如果管坯縱向局部連續被軋薄，可得：

式中 Δt —— 成型管坯厚度減薄量，mm；

b —— 被軋薄部位寬度，mm；

L′ —— 厚度為（t-Δt）、寬度為b 的管坯長度，mm；

ΔL —— 由減薄量轉化的長度，mm。

可是，整個成型管坯是一個剛性體，受減薄部位兩側金屬的制約，由減薄量轉化的長度不可能體現在焊管橫斷面上，于是其只能以“委曲求全”的方式藏身于焊管縱向長度內。ΔL 小于彈性延伸極限值時，ΔL 會隨著成型的結束回復為0，管面也不會有任何痕跡，這說明孔型導致的減薄量Δt 小到可以忽略不計；反之，Δt 較大時，因管坯局部減薄而轉化的長度ΔL 中勢必有部分為塑性延伸；特別是塑性延伸較多時，ΔL 中的部分縱向塑性延伸量便顯性化，最終以抖紋的形態出現在管面上。以成型Φ76 mm×1.0 mm 薄壁焊管為例，已知成型機組道次中心距Li為600 mm，成型區長度L 為600 mm×6 mm，管坯彈性延伸極限為0.1%，則ΔL 在成型區間內的彈性延伸極限值為3.6 mm，由公式（4）可知，管坯局部減薄量Δt≤0.001 mm；倘若減薄量Δt∧0.001 mm，那么ΔL 中除了有彈性延伸外，還有塑性延伸，在成型結束后，這部分塑性延伸只能以波浪的形態求得與管面其他部位等長，管面就會出現魚鱗形抖紋。

魚鱗形抖紋的密集程度由孔型間隙CF 決定：CF 愈小，魚鱗形抖紋愈密集；反之，稀疏。

2.3 月牙形抖紋形成機理

月牙形抖紋，有時焊縫兩側都有，有時只在焊縫的某一側存在，其形成機理源于成型過程中管坯邊緣縱向被過度延伸。

粗成型段管坯斷面減薄規律如圖6 所示。在焊管成型過程中，根據焊管成型工藝，成型管坯邊緣軌跡長度l′只是過渡性地大于成型區長度L，成型結束時，l′發生彈性回復并與L 自然等長，同時要求l′以下管面上所有的縱向纖維都自然等長。但是，受孔型、材料、設備、工藝和操作等因素影響，成型管坯邊緣會或多或少地產生縱向塑性延伸Δl′；當Δl′超過一定極限值后就不能實現自然等長，只能被強制等長。月牙形抖紋正是這種強制等長的后果之一。

圖6 粗成型段管坯斷面減薄規律示意

3 抖紋識別方式

不管哪種抖紋，從形態上看都比較隱蔽，不易察覺。但是，只要加強質量控制，借助專用檢測工具，輔之特殊的觸摸方法和恰當角度的入射光線與視角，還是能夠及時發現抖紋缺陷的。

（1） 光線法。將焊管表面與光線呈150°左右夾角，視線與焊管表面呈30°～45°，一邊專注于管面，一邊慢慢轉動焊管，就能發現焊管表面是否存在抖紋缺陷。

（2） 觸摸法。首先擦干管面上的油和水，其次在管面上墊一層薄布，然后握住焊管并沿著焊管慢慢反復移動，若焊管存在抖紋，就能觸摸到。在焊管與手之間墊薄布，是因為這樣能讓人皮膚變得“柔軟”些，使皮膚中感知靜態壓力的“默克爾細胞”更加靈敏［15］。

（3） 測量法。制作圖7 所示專用檢測臺，檢查時首先要選擇與焊管規格相應的墊塊，將待檢焊管放入V 形口中，移動千分表至焊管表面，確保測量桿至少有±0.02 mm 的壓縮量，然后移動游標，觀察千分表表針變化值，該值就是抖紋的峰谷值。

圖7 抖紋檢測臺示意

4 抖紋預防措施

（1） 換輥前對照孔型樣板檢查軋輥孔型，局部磨損量超過0.1 mm 的薄壁管用W 孔型必須進行修復。

（2） 換輥前和生產過程中要注意觀察平輥孔型面，尤其是下輥孔型面，對已經出現金屬堆疊跡象的要及時拋光修磨予以消除，同時增加抖紋缺陷的檢查頻次。

（3） 改進軋輥冷卻方式，使下平輥也能得到充分冷卻。

（4） 在調整方面要統籌平輥與立輥的軋制力，要避免包括平輥或立輥在內的某一道次軋制力過大，要均衡平輥兩側軋制力，確保焊管在機組中平順運行。

5 結 語

（1） 抖紋在清晰度、紋路、出現部位、周期性和管種等方面具有共性，但是不同類型抖紋的表觀形態不同，形成機理差異大。①同為木紋形抖紋的實腹軋制與空腹軋制形成機理不盡相同：前者由同一軋輥孔型面上的速度差異因素和軋制力效果差異因素形成，后者除了這兩個因素外，還與非工藝因素的不同步和下輥孔型面冷卻效果不好有關。②魚鱗形抖紋由W 孔型磨損特點導致的成型管坯局部彈塑性延伸與受金屬秒流量原理制約不允許管坯局部塑性伸長而“委曲求全”。③月牙形抖紋的形成機理則與“鼓包”缺陷形成機理相似，是一種隱性“鼓包”，本質是成型管坯邊緣過度延伸。

（2） 薄壁金屬家具管上的抖紋是嚴重的表面質量缺陷，絕不能因徒手摸不到、粗略看不到而被忽視；金屬家具管常用的表面處理方法無法掩蓋抖紋缺陷，只有進行深度拋光，且費時費力，必須引起業者高度重視。

（3） 通過及時修復薄壁管用W 孔型，及時對已經出現金屬堆疊跡象的軋輥進行拋光修復，改進下輥冷卻方式和精確調整等，能有效預防抖紋缺陷的產生。

（4） 建議在修訂相關焊管標準時，將抖紋缺陷納入其中，并進行定性與定量描述。