壁厚對(duì)不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合管拉拔復(fù)合的影響

高亞男，張曉飛

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

壁厚對(duì)不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合管拉拔復(fù)合的影響

高亞男1，張曉飛2

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

為研究不銹鋼管壁厚對(duì)不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合管拉拔復(fù)合的影響，應(yīng)用有限元軟件建立三金屬拉拔的有限元模型，考察壁厚對(duì)變形和接觸應(yīng)力的影響，并實(shí)驗(yàn)研究了釬焊后的復(fù)合效果。結(jié)果表明：不銹鋼殼厚度小于0.5 mm時(shí)，拉拔使其減薄，不銹鋼殼厚大于0.5 mm時(shí)，拉拔使其增厚；隨不銹鋼殼厚增加，金屬間的接觸應(yīng)力呈先增大后降低的規(guī)律，當(dāng)壁厚1 mm時(shí)達(dá)到最大值，分別為1 100 MPa、417 MPa，實(shí)驗(yàn)表明金屬間形成良好的冶金結(jié)合。

復(fù)合管；不銹鋼；拉拔；有限元

鋼管在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，按材質(zhì)分有不銹鋼鋼管、碳鋼鋼管，按截面形狀可分為圓管、方管、扁管及異型管，按加工形式可分為無縫鋼管和有縫鋼管等。鋼管最主要的用途之一是傳輸氣體或液體，但由于被傳輸物質(zhì)可能具有壓力、溫度、腐蝕性等性質(zhì)，就決定了鋼管應(yīng)具有不同的特性[1]。碳鋼鋼管應(yīng)用廣泛，但其使用于高濕度、高溫度，甚至腐蝕的環(huán)境，例如地下輸油、輸氣管路、鍋爐用水管，由于其耐腐蝕性較差，造成使用壽命低甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故。因此特殊環(huán)境下，耐腐蝕性的不銹鋼管被廣泛應(yīng)用，但由于其較高的價(jià)格，大幅增加了工程造價(jià)或設(shè)備成本。因此人們提出了不銹鋼包覆碳鋼的雙金屬復(fù)合管，既可保證鋼管的耐腐蝕性也可以降低成本。對(duì)于不銹鋼/碳鋼復(fù)合管，目前的制備工藝有反向凝固、爆炸復(fù)合、液壓脹型、拉拔等[2-4]。拉拔是一種快速成形的工藝，生產(chǎn)效率高，但存在兩金屬不能形成冶金結(jié)合的缺點(diǎn)。采用拉拔后釬焊的方式可實(shí)現(xiàn)兩金屬快速成形且冶金結(jié)合。雙金屬管拉拔工藝的研究較多，但對(duì)于三層復(fù)合管拉拔研究很少，由于中間銅層的塑性變形抗力較小，在拉拔過程中就改變了不銹鋼和碳鋼間的接觸狀態(tài)，其變形規(guī)律較雙金屬拉拔有很大區(qū)別。通過建立不銹鋼/銅/碳鋼三金屬拉拔的有限元模型，考察不同不銹鋼壁厚對(duì)拉拔過程中金屬間的接觸應(yīng)力及變形的影響，通過實(shí)驗(yàn)觀察拉拔后以及釬焊后的復(fù)合界面形貌。

1 模型的建立

不銹鋼/銅/碳鋼三金屬拉拔過程的三維有限元模型采用MSC.MARC建立。為簡化計(jì)算，采用1/4模型，如圖1所示。其中碳鋼層厚度為2 mm，外徑為16 mm，斷面劃分4層共80個(gè)單元，材料為Q195，中間釬料采用厚度為0.05 mm的純銅箔，劃分一層單元，外層采用304不銹鋼，根據(jù)壁厚不同劃分單元層數(shù)。拉拔件單元沿軸向長1 mm，共100 mm，拉板與軋件粘結(jié)在一起，并以100 mm/s的速度拉動(dòng)工件勻速移動(dòng)通過模具。設(shè)置模型的初始溫度、三種金屬間的接觸類型和工件的位移約束，不考慮工件的變形熱和模具的變形。模具幾何參數(shù)見圖2。

根據(jù)需要分別將不銹鋼殼的厚度設(shè)置為0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm，定徑尺寸分別為7.25 mm、7.5 mm、7.75 mm、8 mm、8.5 mm，分別進(jìn)行拉拔仿真。在斷面收縮率為12%的情況下，研究不同壁厚對(duì)界面應(yīng)力、變形的影響。

2 仿真結(jié)果

2.1不銹鋼壁厚對(duì)變形的影響

三金屬在拉拔過程中，不銹鋼層與模具之間、不銹鋼與銅之間、銅與碳鋼之間存在著摩擦力及接觸壓力，應(yīng)力應(yīng)變呈高度的非線性。不同的壁厚必然影響拉拔后復(fù)合管兩金屬的變形。圖3為采用不同厚度的不銹鋼層拉拔后，不銹鋼層、碳鋼層厚度的變化規(guī)律，其中正值為厚度增加量，負(fù)值為厚度減小量。

碳鋼層的厚度增加量隨不銹鋼層厚度增加而增加，只不過在壁厚大于0.5 mm后變化平緩，而不銹鋼層厚度在初始壁厚小于0.5 mm時(shí)呈減小趨勢，大于0.5 mm后呈線性增加趨勢。單一金屬管在空拉過程中，鋼管壁厚的增加或減小與D/S(D：外徑，S：壁厚)相關(guān)，一般情況下，D/S<0.36時(shí)減壁，3.67.6時(shí)增壁。引起管材壁厚變化的應(yīng)力是軸向拉應(yīng)力σl和周向壓應(yīng)力σθ，在σl的作用下，管材發(fā)生延伸變形，可使其壁厚變??；而在σθ的作用下，可使管材壁厚增厚，二者的作用是相反的，看哪個(gè)應(yīng)力起主導(dǎo)作用。通過計(jì)算，隨不銹鋼壁厚增加，D/S分別為58、30、21、16、11，理論上都應(yīng)該壁厚增加。

但對(duì)于不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合管拉拔，不銹鋼層還會(huì)因?yàn)閮?nèi)層金屬的變形抗力而使徑向應(yīng)力σr增加，根據(jù)塑性加工力學(xué)，當(dāng)σr小于該點(diǎn)的平均應(yīng)力σm時(shí)，徑向減薄，而當(dāng)σr大于該點(diǎn)的平均應(yīng)力σm時(shí)，徑向增厚。隨不銹鋼壁厚增加，外徑與定徑尺寸之比分別為1.210、1.20、1.194、1.187、1.176，說明外層不銹鋼壁越薄，其徑向壓縮率也越大，在內(nèi)層金屬直徑一定的情況下，徑向壓力σr增加，因此出現(xiàn)了圖3的變化規(guī)律。內(nèi)管碳鋼壁厚D/S=8.5，所以其拉拔后壁厚變化趨勢和單一金屬拉拔規(guī)律一致。

2.2不銹鋼壁厚對(duì)應(yīng)力的影響

三金屬拉拔過程中，金屬間的接觸狀況直接影響著拉拔后銅釬焊的效果，接觸應(yīng)力將釬料銅擠入到不銹鋼和碳鋼的微觀凹凸表面，形成機(jī)械咬合，接觸應(yīng)力越大，可以使金屬間有效接觸面積增大，是下一步提高釬焊質(zhì)量的重要保證。

在斷面收縮率相同的情況下，不銹鋼壁厚對(duì)金屬間接觸應(yīng)力的影響規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看到，不銹鋼的內(nèi)表面和碳鋼的外表面呈相似的變化規(guī)律。不銹鋼壁厚0.25 mm時(shí)，不銹鋼內(nèi)表面和碳鋼外表面接觸應(yīng)力分別為350 MPa和306 MPa，隨著壁厚增加，接觸應(yīng)力值呈增大趨勢，尤其是不銹鋼內(nèi)壁其值增加較明顯，在壁厚1 mm時(shí)達(dá)到最大值，分別為1 100 MPa和417 MPa，之后隨不銹鋼壁厚增加，接觸應(yīng)力降低。同時(shí)可以看出，不銹鋼內(nèi)表面和碳鋼外表面的的接觸應(yīng)力都遠(yuǎn)超過室溫下金屬的屈服強(qiáng)度，理論上不銹鋼和銅、銅和碳鋼之間能夠發(fā)生冶金結(jié)合，但由于金屬表面存在氧化層，僅拉拔作用下不足以達(dá)到冶金結(jié)合的效果，因此需要進(jìn)一步加熱釬焊。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用外徑16 mm、壁厚為2 mm的Q195碳鋼鋼管、外徑19 mm、厚1 mm的不銹鋼管、0.05 mm厚的純銅箔，將不銹鋼管內(nèi)表面和碳鋼管外表面進(jìn)行除銹、除油處理，再將銅箔卷在碳鋼管上穿入到不銹鋼管內(nèi)，拉絲機(jī)上拉拔到16 mm。最后將定尺后的三金屬復(fù)合坯料通過高頻感應(yīng)迅速加熱到1 100 ℃，保溫5 min。

拉拔釬焊后的復(fù)合管斷面和拉拔仿真后斷面對(duì)比見圖5。拉拔釬焊后，三金屬變形協(xié)調(diào)，不銹鋼和碳鋼壁厚均勻，銅層均勻的分布在碳鋼與不銹鋼之間，未出現(xiàn)褶皺等缺點(diǎn)，變形后尺寸與仿真結(jié)果一致。

在金相顯微鏡下觀察拉拔后和拉拔釬焊后三金屬界面

附近的顯微形貌，如圖6所示。通過拉拔后，三金屬間形成較致密的機(jī)械嚙合，如圖6(a)所示，由于不銹鋼內(nèi)表面與銅層的接觸應(yīng)力大，可看出不銹鋼/銅層接觸界面的嚙合程度較碳鋼/銅的接觸界面更致密。拉拔釬焊后界面附近顯微形貌如圖6(b)，三金屬界面間已無明顯機(jī)械結(jié)合的痕跡，兩界面都形成良好的冶金結(jié)合，從銅/碳鋼界面的碳鋼側(cè)可以看出明顯的未被腐蝕區(qū)域，說明不銹鋼側(cè)的Cr、Ni等合金元素?cái)U(kuò)散到該區(qū)域，使之具有了不銹鋼的性質(zhì)。

4 結(jié)論

1)通過拉拔釬焊工藝成功制備不銹鋼/碳鋼復(fù)合管，不銹鋼和碳鋼分別與銅層之間形成冶金結(jié)合。

2)不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合管拉拔過程中，不銹鋼壁厚隨初始壁厚增加呈現(xiàn)先減薄后增厚的規(guī)律，當(dāng)初始壁厚小于0.5 mm時(shí)，拉拔后不銹鋼殼減?。惶间摰淖兓?guī)律與單一金屬一致，隨不銹鋼壁厚增加呈增加趨勢。

3)不銹鋼內(nèi)表面和碳鋼外表面的接觸應(yīng)力隨不銹鋼壁厚的增加呈先增大后減小趨勢，當(dāng)壁厚為1 mm 時(shí)，接觸應(yīng)力達(dá)最大值，分別為1 100 MPa和417 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度。

[1] 馬強(qiáng). 長輸管道外防腐層的檢測與評(píng)價(jià)[J]. 承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009(3)：26-29，37.

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EffectofWallThicknessonBondingwithDrawingStainlessSteel/Copper/SteelPipe

GAO Ya-nan1, ZHANG Xiao-fei2

(1.Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College,Chengde 067000, Hebei, China；2.Chengde Kingdream Petroleum Machinery Co., LTD, Chengde 067000, Hebei, China)

In order to study the effect of stainless steel wall thickness on bonding when drawing stainless steel/copper/carbon steel composite pipe, the finite element software was used to establish drawing model of three metal pipes. The effects of wall thickness on deformation and contact stress were investigated. At last the composite effect after brazing was investigated. The results show that when the thickness of stainless steel shell is less than 0.5 mm, the drawing makes it thinner but thicker when the thickness of stainless steel is larger than 0.5 mm. The contact stress increased first and then decreased with the increasing of stainless steel shell thickness, The maximum value are 1 100 MPa and 417 MPa respectively when the wall thickness is 1mm. The experiment shows that a good metallurgical bonding between the metals has been formed.

composite tube; stainless steel; drawing; FE

TG356.5

A

1008-9446(2017)04-0037-03

承德市科技計(jì)劃項(xiàng)目(不銹鋼/碳鋼復(fù)合管拉拔-釬焊工藝的理論與試驗(yàn)研)：201601A088

2017-02-16

高亞男(1982-)，男，河北承德人，講師，工程師，博士，研究方向?yàn)榻饘僮冃芜^程的計(jì)算機(jī)模擬，E-mail：llovr@163.com。