雙金屬復合管斜軋穿孔過程模擬

王 鑫，馬 敘

（1.天津市無縫鋼管廠技術(shù)處，天津 300220；2.天津理工大學材料科學與工程學院，天津 300384）

雙金屬復合管斜軋穿孔過程模擬

王 鑫1，馬 敘2

（1.天津市無縫鋼管廠技術(shù)處，天津 300220；2.天津理工大學材料科學與工程學院，天津 300384）

在雙金屬復合管的斜軋穿孔工藝試制研究階段，利用DEFORM大型有限元模擬、GLEEBLE 熱模擬試驗、金相及電鏡分析等方法，采集大量數(shù)據(jù)、照片及模擬過程數(shù)據(jù)對雙金屬穿孔過程進行研究，利用計算機有限元模擬技術(shù)規(guī)避可預見性缺陷，確定了理想狀態(tài)下最為合理的雙金屬斜軋穿孔工藝參數(shù)，降低了研發(fā)成本及風險。

雙金屬；有限元；斜軋穿孔；模擬

1 引言

隨著計算機領(lǐng)域的飛躍式發(fā)展，有限元模擬技術(shù)的支持也逐漸強大，計算機有限元在各個領(lǐng)域的項目前期分析中發(fā)揮著巨大的作用，通過模擬技術(shù)可以實際演示出研究體的發(fā)展趨勢以及會產(chǎn)生的結(jié)果和缺陷，降低了新產(chǎn)品研發(fā)的成本及風險。

雙金屬復合管廣泛應用于核電、海底鉆探等有特殊防腐要求的領(lǐng)域，對于雙金屬管生產(chǎn)來說，以離心澆注的方式最為普遍，但也由于這種生產(chǎn)方式，造成了壁厚和長度受到約束。此次準備對這種空心管坯進行斜軋壓延加工，以追求更薄的壁厚及更大的長度。

穿孔在有限元中是晶格首先被破壞的運動，是最容易產(chǎn)生力學缺陷的過程，也是實際生產(chǎn)中最容易出現(xiàn)問題的工序，為了尋求最佳的穿孔工藝參數(shù)，對前期對穿孔過程的模擬分析也是十分必要的。

2 研究背景

2.1 穿孔機建模

利用三維建模軟件Pro/E，根據(jù)現(xiàn)場圖紙建模，所建立各工件的三維實體模型，將實體模型導入DEFORM有限元分析軟件。設(shè)置模擬條件：雙金屬復合管內(nèi)外層設(shè)為彈、塑性可加工材料，外管材料管線鋼X52，內(nèi)管不銹鋼316L。模型內(nèi)外管網(wǎng)格劃分30000，軋輥、導板、頂頭為剛性不可壓縮體。

2.2 研究內(nèi)容

根據(jù)以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)，此次試驗需采用了：DEFORM大型有限元模擬；GLEEBLE熱模擬試驗；金相及電鏡分析。

研究內(nèi)容包括：X52/316L雙金屬復合管咬入、穿孔過程有限元模擬分析；穿孔溫度在1 230、1 180、1 160 ℃，變形速率0.01、0.1、1，變形量30%、50%條件下，試樣變形情況；試樣金相分析等。

3 材料的熱模擬試驗[2]

根據(jù)X52、316L的相圖，以及X52、316L的試驗資料，如圖1所示，初步設(shè)置雙金屬復合管坯的穿孔溫度區(qū)間為1130～1230 ℃、變形量50 %、變形速率0.1，進行熱模擬試驗。試樣尺寸Φ10×15 mm、X52與316L厚度比3∶1。

圖1 雙金屬材料的真應力-應變曲線

3.1 1 230 ℃熱壓縮試驗

采用GLEEBLE-3500熱模擬試驗機在1 230 ℃溫度下進行壓縮試驗。熱模擬試驗過程中，試樣在設(shè)定溫度1 230 ℃下，就已經(jīng)發(fā)生試樣端部融化現(xiàn)象；開始熱壓縮后，試驗機砧頭與試樣X52一端發(fā)生粘連；低變形速率下，試樣端部出現(xiàn)不均勻飛邊。說明在1 230 ℃下金屬流動性較好，而且由于材質(zhì)的影響可能出現(xiàn)端部融化，在實際生產(chǎn)中可能造成軋輥粘鋼。斜軋過程金屬流動更難以控制，說明1 230 ℃穿孔不可行。

3.2 1 180 ℃熱壓縮試驗

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)形爐加熱±20 ℃偏差的情況，我們選擇1 180 ℃進行第二輪熱壓縮試驗。結(jié)果表明：在1 180 ℃-0.01變形速率-50%變形條件下，雙金屬復合管在端部出現(xiàn)飛邊，軸向不均勻變形出現(xiàn)，低變形速率條件下端部金屬橫向流動，影響到變形質(zhì)量；而在1 180 ℃-0.1變形速率-50%變形量情況下，試樣一端變形較大軸向出現(xiàn)明顯鼓形，另一端變形較小；在1 180 ℃-1變形速率-50%變形量，空冷條件下，壓縮試件形狀與-0.1變形速率的試樣相近，但端面形貌相對規(guī)整。

為分析上述情況，我們將1 180 ℃-0.1變形速率-50%變形量試樣剖開，做斷面分析，發(fā)現(xiàn)壓縮變形主要發(fā)生在金屬體積較大的一端（X52），而另一端金屬體積較?。?16L），而且明顯壓入X52一端；金相照片（X52一端）有焊合疏松孔、有過熱組織出現(xiàn)。說明在1 180 ℃下，雙金屬復合管坯試樣中X52一側(cè)變形抗力低，加熱溫度過高；而316L一側(cè)變形抗力高，加熱溫度在1 180 ℃下，變形抗力與X52有一定差距，壓縮變形分配不均勻。

1 180 ℃變形速率0.01～1的應力-應變[1]數(shù)據(jù)，見圖2（a）。表明在大變形速率下，復合管坯變形抗力明顯提高，上述端面分析也表明在較大變形速率下，斷面變形形狀較為規(guī)整。但在低變形速率下，變形抗力降低明顯，金屬流動性較好，受不規(guī)則變形敏感性高。

3.3 1 160 ℃熱壓縮試驗

根據(jù)現(xiàn)場情況及金相試驗，第三輪熱壓縮試驗將加熱溫度中心下降，選擇1 160 ℃，考慮到變形抗力增加，選擇降低變形量、變形速率考察雙金屬復合試樣變形抗力與塑性變形情況。從圖2（b）我們可以看出，試樣變形均勻。熱壓縮效果比較好。

3.4 穿孔溫度對變形抗力的影響

考察1 160，1 180，1 230 ℃下，相同變形速率和變形量，溫度對樣件變形抗力的影響。圖2（c）結(jié)果表明，溫度對變形抗力的影響較大。

圖2 應力-應變曲線圖

3.5 試樣斷面金相分析

從所有的樣件中選取1 160 ℃-0.1-30%，1 180℃-0.1-50%，1 180 ℃-0.1-30%三個樣件，利用金相顯微鏡和和電鏡觀察其組織形貌。

3.5.1 金相分析

放大500倍，從左到右分別為X52、316L和它們界面結(jié)合處的照片，圖3為不同條件下X52與316L后結(jié)合處用王水腐蝕后的金相照片。圖中顏色相對較淺的區(qū)域為316L，顏色相對較深的區(qū)域為X52，中間是結(jié)合處區(qū)。316L一側(cè)表面光滑，幾乎沒有被腐蝕，左側(cè)的X52表面凸凹不平，發(fā)生了較嚴重的腐蝕。

3.5.2 電鏡照片

由圖4可見，結(jié)合界面無氣孔、裂紋和疏松等缺陷，兩種材料結(jié)合致密，過渡均勻，界面的結(jié)合方式為冶金結(jié)合。

4 穿孔機咬入過程[3]模擬及分析

圖3 不同條件下的金相照片

圖4 1 160 ℃-0.1-30%電鏡照片

在DEFORM軟件環(huán)境下，按照實心管坯咬入的一般情況，設(shè)定穿孔工藝參數(shù)后，雙金屬管坯在后加推力的作用下，自由進入軋輥。從不同階段我們可以看到，如果在空心管坯的后面加載推力，而沒有在其側(cè)向?qū)⑵浼s束住，空心管坯隨著軋輥的咬入，出現(xiàn)雙側(cè)大幅擺動，雙金屬管偏離了原來的軌道，不能夠順利咬入。雙金屬復合空心管坯在咬入過程中，空心管坯同軋輥接觸后變形較大，接觸面較實心坯大大增加，在摩擦力作用下發(fā)生大幅擺動。同時接合面承受較大的剪切力，在其附近發(fā)生裂紋，而后擴展形成一個較大的內(nèi)部撕裂區(qū)，接近實心坯穿孔變形過程。

參考上面模擬的結(jié)果，在下面的模擬中采取兩項措施：在雙金屬圓管進入軋輥之前，增加了4個限位塊（即對應實際設(shè)備的穿孔導咀），起到夾持導向作用，避免防止雙金屬管咬入前產(chǎn)生偏移，頂頭不能順利對中；對輾軋角作適當調(diào)整，避免咬入變形過程中出現(xiàn)較大的接觸變形。

采取上述措施后，管坯順利咬入，雙金屬復合管坯接觸面沒有發(fā)生撕裂。

1 180 ℃，變形量50%，變形速率不低于0.1條件下模擬雙金屬管穿孔。我們從圖5（a）中發(fā)現(xiàn)，由于此溫度下X52流動性[4]較好，復合管表層發(fā)生不規(guī)則變形，而內(nèi)層變形較好；圖5（b）證明了這一點。

在考察上下軋輥和頂頭分別在Y和Z方向的受力分析圖[5]，即圖6表明，在管坯與頂頭接觸后，力值變化幅度較大，造成管坯不均勻變形。

圖5 網(wǎng)格變形及應力應變圖

5 穿孔過程優(yōu)化

為了更接近實際，得到更好的分析效果，加大管坯長度，溫度修正為1 160 ℃，變形量30%，變形速率不低于0.1條件下繼續(xù)模擬，如圖7所示，咬入階段變形較好。

圖7 軋輥及頂頭載荷圖

6 結(jié)論

通過對雙金屬內(nèi)外層材料的金相組織分析、熱模擬試驗、穿孔過程模擬的邊界條件修訂，最終得出如下結(jié)論：1 140～1 180 ℃為可選加工溫度范圍；變形量視穿孔溫度，應小于50%；變形速率不低于0.1%；工藝參數(shù)選取應注意加大內(nèi)層金屬變形，使內(nèi)外層金屬變形相匹配。

之后將運用模擬出來的結(jié)果來指導實際的生產(chǎn)軋制，同時總結(jié)實際生產(chǎn)反饋的數(shù)據(jù)來修改模擬過程的邊界條件，使模擬過程更為精準且接近實際，更好地應用于無縫鋼管領(lǐng)域的研發(fā)。

[1] 雙遠華，賴明道，張中元.鋼管斜軋過程應力應變與溫度耦合模擬分析[J].鍛壓技術(shù)，2003（6）：36-40.

[2] 陸璐，王輔忠，朱亞光，等.鋼管穿孔過程的三維熱力耦合模擬[J].工程材料，2010（3）：66-73.

[3] 劉光宇，虞躍生，萬賢毅.計算機模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應用[J].汽車科技，2000（6）：34-37.

[4] 雙遠華，賴明道，張中元.斜軋穿孔過程金屬流動的有限元模擬[J].機械工程學報，2004（3）：140-149.

[5] 衛(wèi)原平，彭穎紅，阮雪榆.金屬塑性成形過程的計算機模擬系統(tǒng)[J].上海交通大學學報，1996，30（3）：132-137.

Simulation on Cross Piercing Process of Bimetal Composite Pipe

WANG Xin1and MA Xu2
（1.Technology Division of Tianjin Seamless Steel Pipe Plant, Tianjin 300220, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China）

During the development of the cross piercing process of bimetal composite pipe, methods of DEFORM, a large finite element simulation method, GLEEBLE heat simulation experiment, metallographic inspection and electronic microscopy analysis are utilized to collect a substantial amount data, pictures and simulation process data so as to study the piercing process of bimetal pipe. The utilization of computerized finite element simulation technology avoids foreseeable defects, determines the most reasonable parameters of bimetal cross piercing process at ideal state and reduces the cost and risk of research and development.

bimetal; finite element; cross piercing; simulation

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.05.008

2014-06-12

2014-07-05

王鑫 （1983—），男，碩士，工程師，主要負責現(xiàn)有工藝的改進和實施，項目改造及工藝相關(guān)設(shè)計，新材料、新工藝、新產(chǎn)品的研發(fā)試制等工作。