雙層卷焊管表面產(chǎn)生褶皺的原因

李 雯

(寶鋼研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

雙層卷焊管是一種將兩面鍍銅的冷軋鋼帶720°卷曲成型后，經(jīng)電阻或感應(yīng)加熱至1 100 ℃以上的釬焊溫度，以銅膜為釬料，將內(nèi)外兩層管壁間360°周向結(jié)合面高溫焊合，再水冷制成的精密管材。為滿足不同用途的需要，管壁外徑一般為4.75～15 mm。由于這種焊管具有優(yōu)良的抗疲勞、耐高壓、耐腐蝕等性能，被廣泛用于制作汽車液壓制動(dòng)管、燃油管、供油管、家電冷凝管等。雙層卷焊管制成后，通常需在盤管機(jī)上盤繞成直徑0.8～1.5 m的捆卷再進(jìn)行下道工序的加工。但在此過(guò)程中，焊管表面常會(huì)產(chǎn)生斜向45°左右的小褶皺，俗稱“屈服紋”，嚴(yán)重時(shí)有突起手感，影響管材的表面質(zhì)量，見(jiàn)圖1。產(chǎn)生褶皺的焊管在拉伸機(jī)上進(jìn)一步加大變形量時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的藕節(jié)狀不均勻變形，如圖2所示。

圖1 有、無(wú)褶皺的管子的宏觀形貌Fig.1 Macrographs of the tubes with and without wrinkles

圖2 有、無(wú)皺褶的管子在拉伸試驗(yàn)中的形貌Fig.2 Macrographs of the tubes with and without wrinkles during the tensile test

對(duì)類似問(wèn)題的研究發(fā)現(xiàn)，將冷軋低碳鋼加工成成型件時(shí)，由于材質(zhì)及變形工藝不當(dāng)，極易在工件表面形成各類起棱、起皺和橘皮紋等缺陷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)開(kāi)裂。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，類似缺陷的產(chǎn)生多與鋼板拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖中的屈服點(diǎn)延伸密切相關(guān)[1- 2]。通過(guò)減小、消除、推遲或避開(kāi)屈服點(diǎn)延伸，可有效地避免上述缺陷。如林紅春[3]通過(guò)減小變形量，并采用在鋼中添加微量鈦消除了沖壓件的表面起皺；張琦等[4]通過(guò)優(yōu)化烘烤工藝消除了沖壓成形的薄壁容器表面的褶皺；王文祥等[5]通過(guò)預(yù)噴砂、避免熱處理等方法消除了鋼制拉伸藥筒的表面起棱；項(xiàng)志量[6]通過(guò)短時(shí)間人工時(shí)效降低拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的斜率、推遲屈服點(diǎn)延伸消除了2024合金表面的滑移線；連福亮等[7]通過(guò)預(yù)變形消除了軸承保持器球兜內(nèi)的皺紋。

鑒于雙層卷焊管表面褶皺與上述現(xiàn)象極為相似，本文也對(duì)其屈服點(diǎn)延伸與表面質(zhì)量的相關(guān)性進(jìn)行了研究，并分析了鋼帶材質(zhì)、加工工藝等對(duì)該缺陷產(chǎn)生的影響。

1 雙層卷焊管盤管拉伸曲線分析

1.1 盤管變形

雙層卷焊管的盤管過(guò)程屬于薄壁管材無(wú)芯彎曲變形。當(dāng)卷焊管由直管變?yōu)榫哂幸欢ㄇ实膹澒軙r(shí)，管子外沿在切向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，表面褶皺大多發(fā)生于該部位。

(1)

圖3 卷焊管的盤繞形變參數(shù)Fig.3 Coiling deformation parameters of the brazed tube

表1 雙層卷焊管的盤繞參數(shù)Table 1 Coiling parameters for the double wall brazed tube

1.2 有褶皺卷焊管的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖

為找出焊管表面產(chǎn)生褶皺的原因，從直徑為9.52 mm的正常管和表面褶皺管各取150 mm長(zhǎng)一段在INSTRON 5582拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率4 mm/min，結(jié)果列于表2。圖4為兩種卷焊管的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖。由這些結(jié)果可見(jiàn)，除表面褶皺焊管的強(qiáng)度略高于正常管外，兩種焊管的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖基本相同，都沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)延伸。但將拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖放大后則可發(fā)現(xiàn)， 表面褶皺管在0.5%～1.0%的變形區(qū)間內(nèi)存在一段短暫的屈服點(diǎn)延伸平臺(tái)，而正常管的相同部位則為平滑的曲線。關(guān)于屈服點(diǎn)延伸，王必磊等[9]在“關(guān)于低碳鋼屈服點(diǎn)延伸現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀”一文中提到：有學(xué)者認(rèn)為該現(xiàn)象是鋼板在自然時(shí)效或熱處理后，原間隙固溶于晶胞中的C、N原子從中析出并偏聚于位錯(cuò)，與位錯(cuò)發(fā)生交互作用形成柯氏氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，在鋼板發(fā)生拉伸變形時(shí)，當(dāng)外力足以克服釘扎阻力時(shí)位錯(cuò)脫釘，柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的不斷釘扎和脫釘導(dǎo)致鋼板表面出現(xiàn)與試樣拉伸軸向成45°左右?jiàn)A角的不均勻褶皺帶，也稱呂德斯帶。也有學(xué)者認(rèn)為，呂德斯帶是基體內(nèi)的間隙原子向晶界偏聚，強(qiáng)化了晶界，變形過(guò)程中位錯(cuò)通過(guò)晶界時(shí)受到的阻力增大從而產(chǎn)生屈服點(diǎn)延伸。不論屈服點(diǎn)延伸的形成機(jī)制如何，由于屈服點(diǎn)延伸而導(dǎo)致鋼板變形時(shí)出現(xiàn)起皺已得到眾多學(xué)者的認(rèn)可。從上文中對(duì)焊管盤管變形量的計(jì)算可知，雙層卷焊管盤管時(shí)的變形量基本為0.5%～1.0%，而褶皺焊管的屈服點(diǎn)延伸也恰好發(fā)生在該范圍，由此可以認(rèn)為，焊管盤管時(shí)產(chǎn)生的褶皺正是這一變形區(qū)間的屈服點(diǎn)延伸所導(dǎo)致。

表2 卷焊管的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the brazed tube

圖4 有、無(wú)褶皺的卷焊管的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖Fig.4 Tensile stress- strain diagrams of the brazed tubes with and without wrinkles

2 影響卷焊管表面產(chǎn)生褶皺的因素

2.1 鋼帶材質(zhì)對(duì)屈服點(diǎn)延伸的影響

一般認(rèn)為，由屈服點(diǎn)延伸引起鋼板變形時(shí)表面發(fā)生褶皺需滿足兩個(gè)條件，即鋼板具有屈服點(diǎn)延伸和變形恰好發(fā)生在該屈服點(diǎn)延伸平臺(tái)。為此，分別選取由在連續(xù)爐退火的鋼帶(以下簡(jiǎn)稱連退鋼帶)和在罩式爐退火的鋼帶(以下簡(jiǎn)稱罩退鋼帶)制造的直徑為8.0 mm的卷焊管(鋼帶的主要成分如表3所示)，并分別取盤管變形前、后的卷焊管，按上述的拉伸試驗(yàn)方法測(cè)定盤管前、后的力學(xué)性能(見(jiàn)表4)及拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖(如圖5所示)。

表3 鋼帶的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical compositions of the steel strip (mass fraction) %

兩種卷焊管的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖表明，連退鋼帶與罩退鋼帶均無(wú)明顯的屈服點(diǎn)延伸，但經(jīng)卷曲成型及高溫釬焊后，由罩退鋼帶制造的焊管(以下簡(jiǎn)稱為罩退焊管)出現(xiàn)1.2%的短暫屈服點(diǎn)延伸；但經(jīng)過(guò)0.5%～1.0%的盤管變形后，屈服點(diǎn)延伸消失，拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線平滑，塑性變形均勻，焊管表面也無(wú)褶皺。而由連退鋼帶制造的焊管(以下簡(jiǎn)稱連退焊管)在盤管前就存在5.3%的屈服點(diǎn)延伸，經(jīng)過(guò)盤管變形后未能完全消除，仍有1.8%的屈服點(diǎn)延伸。產(chǎn)生上述差異的原因，可能是卷管在快速加熱至1 100 ℃以上的釬焊溫度時(shí)，鋼管中的滲碳體發(fā)生了一定程度的回溶，發(fā)生奧氏體相變后，晶胞內(nèi)間隙固溶的碳含量大幅增加，并開(kāi)始向位錯(cuò)、晶界等缺陷處擴(kuò)散，隨后冷卻時(shí)，由于冷速較快，少量碳原子析出為滲碳體，而更多的碳原子由于在位錯(cuò)、晶界等處偏聚[10]，形成柯氏氣團(tuán)或強(qiáng)化了晶界，增大了位錯(cuò)通過(guò)的阻力，導(dǎo)致焊管屈服點(diǎn)延伸。這種連退焊管與罩退焊管盤管前存在的屈服點(diǎn)延伸差的原因，可能是連退焊管的碳含量較低，其滲碳體更細(xì)小，釬焊時(shí)更易回溶。此外由于退火方式的差異，連退鋼帶的固溶碳含量也較高，因此釬焊過(guò)程中，碳原子在位錯(cuò)或晶界的偏聚更多，在以上兩種因素的共同作用下，一方面造成連退焊管的強(qiáng)度更高，另一方面屈服點(diǎn)延伸也更明顯。從這兩種材料卷焊管盤管前、后的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖可明顯地看出罩退焊管不易出現(xiàn)表面褶皺而連退焊管易發(fā)生褶皺的原因：盤管后，連退焊管的屈服點(diǎn)延伸未完全消除，當(dāng)變形發(fā)生在該區(qū)間時(shí)即出現(xiàn)表面褶皺。

圖5 罩退鋼帶(a)和卷焊管(c)及連退鋼帶(b)和卷焊管(d)的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖Fig.5 Tensile stress- strain diagrams of (a) the steel strip and (c) the brazed tubes annealed in bell- type furnace, and (b) the steel strip and (d) the brazed tube annealed in continuous- type furnace

表4 鋼帶及卷焊管的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the steel strip and the brazed tube

2.2 釬焊溫度對(duì)屈服點(diǎn)延伸的影響

由上述分析可知，由于釬焊會(huì)造成焊管間隙固溶原子擴(kuò)散，從而導(dǎo)致焊管屈服點(diǎn)延伸有差異。為進(jìn)一步驗(yàn)證釬焊溫度對(duì)焊管屈服點(diǎn)延伸的影響，又進(jìn)行了不同釬焊溫度的試驗(yàn)。試驗(yàn)采用上述連退鋼帶在同一制管線上生產(chǎn)的φ4.76 mm卷焊管，卷管的釬焊溫度設(shè)定為1 130和1 105 ℃，分別對(duì)在這兩種溫度卷焊的鋼管在盤管變形前(直管)、后(彎管)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖如圖6所示，力學(xué)性能如表5所示。

圖6 1 105 ℃釬焊的鋼管盤管前(4)、后(1)及1 130 ℃釬焊的鋼管盤管前(3)、后(2)的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變圖Fig.6 Tensile stress- strain diagrams of the tubes brazed at 1 105 ℃ before (4) and after (1) coiling as well as brazed at 1 130 ℃ before (3) and after (2) coiling

表5 不同溫度釬焊的卷焊管的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the tubes brazed at different temperatures

圖6表明，盤管變形前，3號(hào)和4號(hào)卷焊管均有屈服點(diǎn)延伸，但由于沒(méi)有變形，焊管表面正常。但1 105 ℃釬焊的4號(hào)管的屈服點(diǎn)延伸達(dá)4.2%，明顯比1 130 ℃釬焊的3號(hào)管2.3%的屈服點(diǎn)延伸更長(zhǎng)。盤管后，兩種溫度釬焊的鋼管的屈服點(diǎn)均有所下降，屈服點(diǎn)延伸顯著減小，1 130 ℃釬焊的2號(hào)管盤管變形已基本消除屈服點(diǎn)延伸，鋼管表面光滑。而1 105 ℃釬焊的1號(hào)管還有0.5%屈服點(diǎn)延伸，表面顯現(xiàn)褶皺。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，釬焊溫度對(duì)雙層卷焊管屈服點(diǎn)延伸及表面褶皺的產(chǎn)生有影響。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[11- 12]報(bào)道，在相同條件下，隨著晶粒尺寸的增大，晶界密度降低，碳原子向晶界偏聚時(shí)在晶界上的分布比例減小，屈服點(diǎn)延伸也隨之減小。本文試驗(yàn)結(jié)果表明，釬焊溫度越高，奧氏體相變?cè)匠浞?，晶粒也越粗大，因此屈服點(diǎn)延伸也越短。

3 結(jié)論

(1)雙層卷焊管表面褶皺的產(chǎn)生，是卷管高溫釬焊形成的屈服點(diǎn)延伸在盤管變形后未完全消除造成的，若變形發(fā)生在該屈服點(diǎn)延伸區(qū)間，則會(huì)在卷焊管表面形成褶皺。

(2)用不同鋼帶制造的雙層卷焊管，由于含碳量及退火方式的差異會(huì)造成其固溶碳含量的差異，當(dāng)雙層管在快速加熱至1 100 ℃左右的釬焊溫度、外兩層管壁焊合時(shí)，由于滲碳體回溶度的不同，也會(huì)造成碳原子在位錯(cuò)或晶界偏聚的不同，導(dǎo)致盤管變形前屈服點(diǎn)延伸的不同及變形后褶皺的差異。

(3)釬焊溫度對(duì)褶皺的產(chǎn)生也有顯著影響，這可能是由于在不同的釬焊溫度下滲碳體的偏聚程度不同，造成褶皺程度的差異。