大口徑擠壓三通差溫制坯新技術(shù)研究

展培培，趙 軍，馬 輝，杜鵬遠，王東風(fēng)

(1．燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;3．新興河北工程技術(shù)有限公司，河北 邯鄲 056300;4．秦皇島燕大恒遠高技術(shù)有限公司，河北 秦皇島 066004)

0 引言

三通是壓力管道工程中重要的管件配件之一，其主要用來實現(xiàn)管道分支，改變管道傳輸方向等作用。根據(jù)各類三通管件的幾何尺寸不同，所需的生產(chǎn)工藝也各不相同。對于中小型三通管件，主要采用液壓脹形方式成形;對于使用要求不高的薄壁類大口徑三通，目前廠家主要采用對焊方式生產(chǎn)，即首先熱沖壓半片三通，然后將兩片焊和，形成三通;而對于在熱力發(fā)電、核電等工業(yè)中應(yīng)用的使用要求嚴格的厚壁類三通管件，廠家主要通過熱擠壓工藝完成其生產(chǎn)過程。

熱擠壓三通的生產(chǎn)工序一般分為四步，即制坯、壓扁、壓包、拉拔。其中壓包工序最為重要。壓包成形后鼓包的高度及形狀精度和管坯的壁厚尺寸是否合格將直接決定著最終三通制品的質(zhì)量。壓包過程中為增加支管背部區(qū)域管壁材料的變形抗力，同時提高支管區(qū)域管壁材料的塑性，促進變形區(qū)域的金屬流入支管，提高壓包質(zhì)量，通常需要將壓包前管坯處理為支管背部區(qū)域管壁溫度低，支管區(qū)域管壁溫度高的漸變溫度場狀態(tài)。

目前，熱擠壓三通生產(chǎn)廠家對管坯漸變溫度場的處理流程為:首先利用煤氣爐或電阻爐對壓扁后管坯進行整體加熱，使其達到成形溫度，其次對管坯支管背部區(qū)域進行冷卻處理，即蘸水冷卻處理，進而形成壓包工序所需溫度場。該處理過程不僅加熱周期較長而且造成了很大的能源浪費，同時此方法也不適用于對熱處理過程比較敏感的合金類材料，因此廠家需要新的加熱工藝替代原始的加熱方法。

本文根據(jù)超音頻感應(yīng)加熱效率高的特點，通過改變加熱線圈的形狀實現(xiàn)了管坯的局部加熱，使管坯加熱后溫度達到了壓包工序所需的漸變溫度場要求，從而解決了目前管坯加熱過程中周期長、資源浪費嚴重等問題。

1 感應(yīng)加熱線圈形狀的設(shè)計

對于磁性金屬而言，感應(yīng)加熱是依靠兩種能量轉(zhuǎn)換而達到加熱的目的，即焦耳熱效應(yīng)和磁滯效應(yīng)。焦耳熱效應(yīng)則是由金屬在變化的磁場中所產(chǎn)生的渦流損耗而引起，也是感應(yīng)加熱過程中的引起金屬溫度變高的主要因素［3－5］。由電磁感應(yīng)理論可知，感應(yīng)加熱功率主要受金屬所在位置的磁感應(yīng)強度影響。而根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)理論中的畢奧－薩伐爾定律可知［6］，當有電流通過導(dǎo)線時，在空間某點P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度大小dB可表示為

式中，I為電流強度，r為電流元到P點的距離，為電流元方向與電流元到P點矢徑r間的夾角，k為比例系數(shù)。所以，由式 (1)可知，感應(yīng)加熱功率主要與線圈中的電流強度和被加熱體與線圈之間的距離有關(guān)。因此，改變加熱線圈形狀，使得被加熱金屬的表面各點到加熱線圈之間的最小距離不同，并且當感應(yīng)設(shè)備的加熱功率大于金屬本身的熱傳導(dǎo)時即可以實現(xiàn)金屬的局部加熱。

為實現(xiàn)熱壓三通壓包工序成形前管坯的溫度場分布且簡化實驗?zāi)Ｐ?，擬以標準圓環(huán)形截面管坯為研究對象，同時將感應(yīng)加熱線圈設(shè)計成“梨”形，以達到管坯支管區(qū)域加熱速率快，而支管背部區(qū)域加熱速率慢的目的。如圖1所示，實驗用感應(yīng)線圈整體由三個區(qū)域組成，其中第Ⅰ區(qū)域為圓弧形，其半徑較被加熱管坯外壁半徑稍大，使管坯外壁到線圈的最小距離相等，以確保加熱均勻;第Ⅱ區(qū)域為過渡區(qū)，其形狀近似為二次曲線形，使線圈到管坯外壁的最小距離逐漸增大;第Ⅲ區(qū)域為遠離區(qū)，其形狀為橢圓形，線圈距管坯外壁較遠，受磁場作用較弱。

圖1 管坯局部感應(yīng)加熱示意圖Fig.1 Sketch diagram of pipe billet local induction heating

2 管坯局部感應(yīng)加熱實驗分析

實驗所用感應(yīng)加熱設(shè)備為湖北長江精工制造技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GP-60E型號超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備，輸入功率為60 kVA，震蕩頻率為10～40 kHz。實驗所用管坯外徑為Φ110 mm，壁厚為7 mm，長度為250 mm，材料為20鋼。為方便加熱后管壁溫度的測量與溫度分布的測繪，在管坯外壁上繪制10 mm×10 mm方格。考慮到感應(yīng)加熱設(shè)備的功率，感應(yīng)線圈共繞制三匝，加熱過程中由升降臺帶動管坯逐漸向上移動，從而擴大管坯軸向加熱長度。感應(yīng)線圈由直徑為Φ10 mm紫銅管繞制，形狀如圖1所示，線圈x軸方向最大尺寸為300 mm，y軸方向最大尺寸為220 mm，第Ⅰ區(qū)域所占角度為120°，圓弧半徑為65 mm，第Ⅱ區(qū)域所占角度之和為60°。加熱過程中管坯被放置在升降臺上，同時使用紅外測溫槍測量加熱后管坯管壁溫度，紅外測溫槍的測量誤差為±10℃。

設(shè)定管坯加熱區(qū)域目標溫度為800℃。考慮到實驗室的感應(yīng)加熱設(shè)備的熱功率能力及加熱過程中管坯的溫度傳導(dǎo)速率，設(shè)定管坯的目標軸向加熱高度為150 mm，即只加熱管坯的上半部分，并分析加熱后管坯上半部分溫度在周向的分布情況是否滿足壓包成形要求。而管坯在軸向的加熱長度范圍的擴大可以通過增大加熱設(shè)備的功率后增加感應(yīng)線圈的匝數(shù)或者同時采用二至多臺感應(yīng)加熱設(shè)備加熱管坯實現(xiàn)。

整個實驗加熱過程分為四個步驟:第一步，加熱管坯端部，初始加熱高度為60 mm，加熱時間設(shè)定為60s;第二步，待管坯加熱區(qū)域超過目標溫度后迅速轉(zhuǎn)動升降臺帶動管坯上行，上行距離為45 mm，再次加熱40s;第三步，繼續(xù)轉(zhuǎn)動升降臺使管坯上行，上行距離同樣為45 mm，加熱40 s;第四步，轉(zhuǎn)動工作臺保證線圈在管坯加熱范圍內(nèi)均勻加熱，不使管坯冷卻，同時迅速用紅外測溫槍測量管坯外壁各網(wǎng)格節(jié)點溫度并記錄。待管坯完全冷卻后繼續(xù)按照上述步驟對管坯進行加熱處理，反復(fù)三次并取所測量的各節(jié)點溫度平均值繪制加熱后管坯外壁溫度分布圖。

加熱后管壁溫度分布圖按平面展開后如圖2所示，由于加熱過程管坯溫度分布相對于管坯軸心與線圈軸心所在平面對稱，所以溫度分布圖只繪制整個管坯表面的二分之一。由圖2所示，整個溫度分布圖可分為三個區(qū)域，第一區(qū)域為大于800℃的高溫區(qū)域，其范圍約占整個管坯周向長度的40%，稍大于銅線圈Ⅰ區(qū)部分所占比例。第二區(qū)域為溫度分布為800℃ ～150℃的過渡區(qū)，由于加熱過程為由上至下逐步加熱，熱傳導(dǎo)時間不同，所以該范圍也由上到下逐漸擴大。第三區(qū)域為溫度小于150℃區(qū)。實驗結(jié)果表明，用超音頻感應(yīng)加熱的方式可以實現(xiàn)管坯的局部加熱，滿足大型三通熱擠壓成形中壓包工序所需的加熱條件要求，即管坯加熱區(qū)的周向溫度場為由高溫區(qū)到低溫區(qū)的漸變分布。

圖2 加熱后管坯溫度分布平面展開圖Fig.2 Planar expansion drawing of pipe billet temperature distribution after heating

3 管坯局部感應(yīng)加熱在模擬軟件中的實現(xiàn)

目前在塑性加工領(lǐng)域，數(shù)值模擬是比較成熟的工藝分析手段之一。合理的數(shù)值模擬過程可以給工藝方案的制定和現(xiàn)實工藝中問題的解決提供有力的幫助。但是數(shù)值模擬軟件在對一些特殊的塑性成形工藝過程的模擬中仍然存在著局限性。如上述大口徑三通的差溫?zé)釘D壓成形工藝，普通的可以實現(xiàn)熱力耦合的模擬軟件無法實現(xiàn)感應(yīng)加熱的模擬過程，同時直接賦予初始管坯合適的溫度場分布屬性也存在一定困難。因此，若希望通過數(shù)值模擬的方式對大口徑三通的差溫?zé)釘D壓成形過程進行詳細的模擬研究，就必須解決管坯的漸變溫度場賦值問題。

擬采用ABAQUS模擬軟件中的體熱流(Body heat flux)命令，模擬真實管坯的感應(yīng)加熱效果。模擬過程中采用與上述實驗相同的條件和加熱過程，模擬過程中的體熱流區(qū)域與真實感應(yīng)加熱中Ⅰ線圈的包覆區(qū)域相同，同時以被加熱區(qū)域節(jié)點的體熱流模擬感應(yīng)加熱中被加熱區(qū)域的焦耳熱效應(yīng)和磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的熱源。數(shù)值模擬用管坯材料同樣為20鋼，其熱傳導(dǎo)率和比熱容隨溫度的變化曲線如圖3、圖4所示。

選擇合適的體熱流密度后，模擬獲得的管坯溫度場分布如圖5所示。與實驗測得的溫度場分布對比可知，模擬結(jié)果與實際測量的溫度場在各個方向的吻合度都很高，同時對比模擬結(jié)果與實驗結(jié)果中網(wǎng)格節(jié)點位置的溫度值，其最大相對誤差為5.82%。由此證明可以通過體熱流方式的模擬結(jié)果模擬感應(yīng)加熱過程，獲得數(shù)值模擬過程中的初始差溫管坯，從而為后續(xù)的大型三通差溫?zé)釘D壓成形的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。

圖5 數(shù)值模擬管坯溫度分布圖Fig.5 Numerical simulation of pipe billet temperature distribution

4 結(jié)論

根據(jù)超音頻感應(yīng)加熱效率高的特點，針對目前熱擠壓三通制造過程中初始差溫管坯的制備存在周期長、能源浪費嚴重等問題，通過設(shè)計“梨”形感應(yīng)線圈，提出了超音頻局部感應(yīng)加熱的新方法。

通過ABAQUS軟件中的體熱流命令實現(xiàn)了管坯局部感應(yīng)加熱過程在模擬軟件中的仿真，為大型三通的熱擠壓成形工藝的有限元模擬分析奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 劉麗敏，鐘志平，謝談．大口徑三通成形冷卻區(qū)數(shù)值模擬與實驗研究 ［J］．鍛壓技術(shù)，2009，34(2):138－140．

［2］ 劉麗敏，鐘志平，邊翊．大口徑三通擠壓模數(shù)值模擬與實驗研究 ［J］．模具工業(yè)，2009，35(2):66－71．

［3］ 于湛，陳昊，周月明．鋼板感應(yīng)加熱的試驗研究［J］．寶鋼技術(shù)，2011(3):50－53．

［4］ 姜土林．感應(yīng)加熱原理與應(yīng)用［M］．天津:天津科技翻譯出版公司，1993．

［5］ 田志川．感應(yīng)加熱原理的討論［J］．通化師范學(xué)院學(xué)報，2004，25(4):44－45．

［6］ 黃英才．電磁學(xué)教程 ［M］．貴州:貴州科技出版社，2004．