雙層卷焊管用冷軋鋼帶產(chǎn)品技術(shù)分析及應(yīng)用

凡揚華

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海　201900)

0　引言

隨著我國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，相關(guān)的零配件行業(yè)需求也迅速增長，由此帶來了對冷軋鋼帶產(chǎn)品的需求增加。以應(yīng)用于汽車剎車系統(tǒng)動力傳輸管路的雙層卷焊管(國外又稱邦迪管)為例，由于采用雙面鍍銅的冷軋薄鋼帶卷管成形工藝，具有尺寸精度高、防泄漏性能好的特點[1]，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

邦迪管的成形工藝原創(chuàng)于20世紀30年代的美國，經(jīng)歷了近100年的發(fā)展，在有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业墓こ虒嵺`努力下，目前已衍生出兩種代表性的成熟工藝：歐洲制管線工藝和土耳其制管線工藝。國內(nèi)生產(chǎn)廠家從20世紀90年代初開始引進這兩種工藝的成套生產(chǎn)設(shè)備，并不斷摸索總結(jié)影響邦迪管質(zhì)量的各種設(shè)備因素[2]。同時也不乏有關(guān)科研院校的專家從理論上研究了邦迪管加工過程的關(guān)鍵特性以及對焊管質(zhì)量的影響控制模型[3]。本文在對比分析兩種制管工藝主要特點的基礎(chǔ)上，介紹了相匹配的冷軋鋼帶產(chǎn)品技術(shù)。

1　邦迪管的兩種加工工藝特點分析

邦迪管采用雙面鍍銅的冷軋薄鋼帶(典型厚度0.35 mm)，主要經(jīng)彎曲變形、連續(xù)軋制而成。制管工藝包括幾個典型工序：鋼帶鍍銅、分條、連續(xù)軋管、定徑、釬焊、冷卻、矯直、探傷。具體加工過程如下：薄鋼板上下表面被鍍上3 μm左右的銅層，鍍銅后的鋼帶為適合雙層卷管直徑的要求(如常用的汽車剎車系統(tǒng)管路直徑Φ4.76 mm)被精確地分切成具有嚴格邊部質(zhì)量要求的窄條；隨后窄條被送入連續(xù)精密軋管機構(gòu)，軋制成雙層壁管件(如圖1所示)；由于銅的熔點(1 083.4 ℃)比鋼的熔點(1 515 ℃)低，軋好的毛坯管通過加熱爐加熱至1 120 ℃左右，銅層先熔化，在隨后的冷卻過程中銅層再凝固，從而將層間粘合。

這種基本的加工原理通過工廠的工程實踐，派生出兩類典型的加工工藝：短小精悍、緊湊式的意大利—土耳其工藝和布局周全、自動化控制程度高的歐美工藝。前者占地規(guī)模小、投資小，軋管和釬焊段連續(xù)、單通道生產(chǎn)，成品雙層卷焊管以盤卷的方式交給下游用戶進一步加工(如圖2所示)，但由于一些小企業(yè)的整條設(shè)備全長只有約60 m，全線制管速度約30 m/min，且這種設(shè)備的穩(wěn)定性過分依賴操作者的經(jīng)驗，生產(chǎn)效率不高。

圖1雙層管橫截面圖2土耳其工藝雙層卷焊管成品

相比較而言，歐洲工藝具有分段式制造的特點，軋管段采用連續(xù)高速軋管，可達180 m/min的出管速度，軋好的管件在線按定尺剪裁成段，然后多通道并行(如40根一組)通過釬焊爐完成層間焊合，整條生產(chǎn)線全長可達150 m，生產(chǎn)效率較高。

以上兩種制管工藝的關(guān)鍵差異點如表1所示。

表1　兩種制管工藝的關(guān)鍵差異點

2　冷軋鋼帶關(guān)鍵產(chǎn)品特性分析

2.1　與卷管成型特性相關(guān)的產(chǎn)品特性分析

整個制管過程中軋管段非常關(guān)鍵，直接決定了焊管質(zhì)量(主要考慮釬焊過程的虛焊和搭接部缺陷)。軋管是一個非常精密的加工過程，可進一步細分為壓坡口、多道次雙層卷管和定徑工序[4-5]。

2.1.1壓坡口

壓坡口是對鍍銅后分條的兩個邊緣進行處理，使其具有如圖3所示的形狀。圖3中，b為帶鋼厚度，γ0和γ1，分別為內(nèi)、外邊緣傾角，L為分條寬度，h為內(nèi)、外邊緣的厚度。

這里的關(guān)鍵參數(shù)是邊緣的厚度h，由于分條時邊部的斷面形狀不均勻，壓平后會導致h大小不均勻，從而導致卷管后搭接部出現(xiàn)如圖4所示的缺陷，這種缺陷往往會被ETC探傷設(shè)備判定為不合格品，從而降低成材率。另外，焊管所用基材一般為等軸細晶粒鋼帶與扁平組織鋼帶，經(jīng)對比分析兩種材料的斷面形狀(如圖5、圖6所示)，發(fā)現(xiàn)焊管外縫質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生與基材的微觀組織有關(guān)，等軸細晶粒鋼帶在分條后的斷面更加整齊。

圖3　壓坡口后分條橫截面示意圖

圖4　雙層卷管的外縫質(zhì)量缺陷

圖5　等軸細晶粒組織與分條截面形貌

圖6　扁平組織與分條截面形貌

2.1.2多道次雙層卷管和定徑

將壓坡口處理后的帶鋼卷曲成在橫截面內(nèi)呈螺旋線型的管筒(如圖1所示)要求帶鋼在成型的行進中處于穩(wěn)定狀態(tài)，除了通過設(shè)備孔型設(shè)計中的導衛(wèi)裝置和成型孔型中的止口來實現(xiàn)外，同時還要求基材具有一定的挺度。另一方面，考慮后續(xù)釬焊工序，雙層卷焊管的接合部位是360°的全圓周，并且釬焊過程是在無任何外加載荷下進行，這就要求管筒在成型過程中必須使層間形成一定的壓緊力，這樣才能使熔化的銅層在毛細管原理的作用下充分填充層間，不出現(xiàn)影響質(zhì)量的虛焊。

上述分析表明，基材應(yīng)具備較高的屈服強度，以保證鋼帶的挺度；另外，壓緊力的大小一部分也取決于材料的回彈，根據(jù)彎曲成型理論可知，彎曲回彈的大小依賴于基材屈服強度的大小。不僅如此，為了進一步保證足夠的層間壓緊力，制管工序上還增加了定徑工序，并在兩組定徑輥形成的孔型與管壁之間插入兩頂頭的芯棒，通過芯棒頂頭直徑與孔型直徑差對卷管進行減薄定徑。這種過盈軋制，進一步保證了層間壓緊力。

通過分析兩種材質(zhì)的基材在同一套軋管設(shè)備下定徑后的管筒橫截面尺寸(如圖7所示，其中1～8測量點是沿管內(nèi)壁周向八等份位置)，發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)良好的基材與表現(xiàn)欠佳的基材相比，內(nèi)壁減薄量更大一些。

塑性應(yīng)變比理論公式為：

r=ln(w/w0)/ln(t/t0).

(1)

其中：r為塑性應(yīng)變比；w、w0分別為塑性變形前、后試件的寬度，mm；t、t0分別為塑性變形前、后試件的厚度，mm。

由式(1)可以知道，r值越大則越不容易減薄，因此對于雙層卷管的定徑減薄而言，r值不宜過大。

圖7　兩種材質(zhì)的基材內(nèi)壁厚度比較

2.2　產(chǎn)品特性設(shè)計

由表1可知，土耳其工藝的主要不足是毛坯管經(jīng)釬焊工藝出爐后，立刻進入快速冷卻段，且冷卻段比較短，溫度從1 120 ℃迅速降至700 ℃左右，導致固溶的C、N原子來不及充分析出，在隨后的盤彎過程中，形成釘扎現(xiàn)象，導致屈服紋缺陷。因此，針對這種工藝的產(chǎn)品特性，關(guān)鍵是控制引起人工時效的元素析出。

而對于歐洲制管工藝，由于軋管段速度較高，因此對基材長度方向上產(chǎn)品特性的均勻性要求更高，同時，由于釬焊段冷卻速度慢，且采用捆匝交貨的方式，不存在屈服延伸現(xiàn)象發(fā)生的條件，故應(yīng)設(shè)計成連退向產(chǎn)品特性。

3　相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用

基于鋼廠的實際工藝條件，對于采用土耳其工藝的用戶群，采用罩式爐和低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品技術(shù)，優(yōu)化了成分設(shè)計和配套的一貫制工藝，確保晶粒組織近似等軸的特征，成功解決了用戶盤管時的屈服紋、成品管時效性不過關(guān)等問題，累計向市場供貨超過10萬噸，得到用戶的認可。而對于采用歐洲工藝的用戶群，開發(fā)連退材質(zhì)的雙層卷焊管用材，具有較高的屈服強度，且性能更加穩(wěn)定和一致，實踐證明，用戶的成材率較之前有顯著提高。

4　結(jié)論

本文重點分析了雙層卷焊管的加工過程及工藝特點，為滿足雙層卷焊管質(zhì)量要求，提出了冷軋鋼帶基材的產(chǎn)品設(shè)計要點：

(1) 從改善雙層卷管軋管成形質(zhì)量角度考慮，應(yīng)在滿足后續(xù)進一步總成加工的塑性要求前提下，適當提高基材的屈服強度，同時限制材料的塑性應(yīng)變比。

(2) 從改善雙層卷焊管成形質(zhì)量角度考慮，主要針對外縫質(zhì)量，應(yīng)在基材的成分和一貫制工藝上考慮，將基材的晶?？刂茷榻频容S細晶粒。

(3) 從土耳其工藝和歐洲工藝的差異性角度考慮，對土耳其工藝而言，應(yīng)特別考慮盤管過程中出現(xiàn)屈服紋缺陷的風險，在基材的成分設(shè)計中添加一些合金元素，控制影響時效析出元素的量；對歐洲線而言，因其高速軋管的特點，要求基材長度方向上應(yīng)具有更加一致的產(chǎn)品特性，因此宜采用連續(xù)退火的冷軋鋼帶。

參考文獻：

[1]劉承杰,于恩林,吳堅.雙層卷焊管的生產(chǎn)研究[J].鞍鋼技術(shù),1994(5):42-44.

[2]張華平.雙層卷焊管生產(chǎn)工藝及其工藝參數(shù)控制的研究[J].機械工程與自動化,2011(5):105-106.

[3]于恩林,賴明道,吳堅.雙層卷焊管成型質(zhì)量的理論分析及實驗研究[J].鋼鐵,1996,31(1):40-43.

[4]于恩林,吳堅,賴明道，等.雙層卷焊管的工藝研究[J].鋼鐵,1988(7):31-34.

[5]肖景容,姜奎華.沖壓工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.