雙層卷管成型過(guò)程及異常分析

李 雯

（寶鋼研究院 梅鋼技術(shù)中心， 南京 210039）

輥彎成型是以帶鋼為坯料， 通過(guò)多組具有一定表面形狀的成型軋輥所組成的成型機(jī)組對(duì)坯料逐步進(jìn)行彎曲變形， 從而得到截面均一的產(chǎn)品塑性加工方法[1]。 對(duì)圓形截面而言， 目前的研究大都集中于采用有限元方法對(duì)以HFW 為代表的大管徑單層直縫焊管成型時(shí)鋼板的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的探索[2-5]， 少部分則為近圓截面單層管的成型、 回彈、 孔型設(shè)計(jì)等[6-9]， 最終管材僅要求焊縫對(duì)中，對(duì)管材圓度、 壁厚、 尺寸精度等要求相對(duì)不高。

雙層卷焊管[10-11]是一種將兩面鍍銅的冷軋鋼帶720°卷曲成型后， 經(jīng)高溫加熱， 以銅膜為釬料完成內(nèi)外兩層管壁焊合的精密焊管， 根據(jù)用途不同， 帶鋼厚度一般為0.25～0.5 mm， 管材外徑一般為4.75～15 mm， 屬于薄壁小管徑冷彎焊管。由于采用雙層管壁且360°周向焊合工藝， 該類焊管具有優(yōu)良的抗疲勞、 耐高壓、 耐腐蝕等特點(diǎn)， 被廣泛用于制作各種汽車液壓制動(dòng)管、 燃油管、 供油管、 家電冷凝管等。 但也正因?yàn)槠涔鼙诒　?管徑小、 圓度要求高， 且內(nèi)外兩層管壁需緊密貼合， 因此， 其成型過(guò)程與僅完成360°卷曲、焊縫對(duì)中即可的單層管有較大不同， 除720°卷圓外， 還需要中心芯棒配合， 最后一道軋輥對(duì)管壁周向進(jìn)行整形、 定徑， 以滿足圓度、 壁厚、 管材直徑等精度要求[12]。

1 雙層卷管成型特點(diǎn)分析

雙層卷焊管成型大都采用直角邊定位非對(duì)稱成型法[13-15]。 帶鋼水平進(jìn)入成型機(jī)組后， 首先相應(yīng)于管筒外層搭接處的帶鋼由定位小立輥向上卷起軋成90°直角邊， 為后續(xù)卷曲成型提供橫向定位支撐， 然后相應(yīng)于內(nèi)層搭接處的水平鋼帶向上卷起， 由小水平輥軋成一個(gè)90°圓弧， 接著通過(guò)幾組大立輥與小水平輥的交替配合， 在前述軋出的內(nèi)層側(cè)90°圓弧的基礎(chǔ)上將鋼帶連續(xù)地、 逐漸從其寬度方向往內(nèi)卷曲， 使之成為一個(gè)從內(nèi)層側(cè)卷起540°的圓周， 最后， 再將最初軋成的90°直角邊卷圓形成外層搭接， 其成型輥照片如圖1 所示。 在上述過(guò)程中， 中心芯棒的作用十分重要，其一方面與最后一組定徑輥對(duì)卷筒壁厚進(jìn)行一定的壓縮變形， 保證兩層管壁緊密貼合滿足后續(xù)釬焊要求； 另一方面也可大大提高焊管尺寸精度，雙層卷管芯棒定徑如圖2 所示。

圖1 雙層管成型輥照片

圖2 雙層卷管芯棒定徑示意圖

對(duì)整個(gè)成型機(jī)組而言， 在小立輥90°直角邊定位后， 開(kāi)口半圓孔型的小水平輥需在帶鋼前進(jìn)方向上依次縮進(jìn)， 以滿足連續(xù)卷圓的要求。 為了進(jìn)一步研究不同管徑、 不同壁厚雙層管在成圓過(guò)程中各軋輥及芯棒的排布要求， 下面對(duì)其成圓過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

由于筆者對(duì)成型機(jī)組軋輥排布的研究是以帶鋼正常成型為基礎(chǔ)， 暫不考慮帶鋼在卷起時(shí)的縱向延伸， 即將帶鋼在每一個(gè)軋輥內(nèi)的變形認(rèn)為是平面變形， 因此， 軋輥縮進(jìn)排布可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面變形過(guò)程。 對(duì)于外徑為Φ， 帶鋼厚度為h 的雙層卷管， 由于該類管材壁厚較薄， 可假設(shè)內(nèi)外管壁的中間層位置均居中 （如圖3 所示）， 由此可得：

圖3 雙層卷管橫截面示意圖

設(shè)第一道軋輥可使帶鋼內(nèi)圈卷曲90°， 則按圖4 所示， 第一道軋輥的絕對(duì)縮進(jìn)量Δb2為

其相對(duì)縮進(jìn)量Δ2為

因此， 帶鋼內(nèi)圈卷圓90°時(shí)， 其軋輥的絕對(duì)縮進(jìn)量雖由卷管內(nèi)圈中間層直徑?jīng)Q定， 但相對(duì)縮進(jìn)量卻是一固定值36.3%。

圖4 帶鋼90°卷曲變形曲線

中心芯棒頭部固定于成型機(jī)組入口， 端部位于成型機(jī)組最后一道軋輥中間， 與軋輥一起對(duì)管壁進(jìn)行最后的壓縮整形， 由于外圈180°卷曲為直角定位邊逆向卷曲， 因此， 為滿足連續(xù)成型要求，內(nèi)圈540°卷曲時(shí)芯棒與成型機(jī)組縱向需保持一定的傾角θ， 雙層卷管芯棒斜率計(jì)算如圖5 所示。

圖5 雙層卷管芯棒斜率計(jì)算示意圖

參照文獻(xiàn)[9]中對(duì)芯棒傾角的計(jì)算， 對(duì)于帶鋼寬度為D、 變形區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的成型機(jī)組， 芯棒斜率tgθ 可按公式（6） 進(jìn)行計(jì)算， 即

從公式 （6） 可以看出， 中心芯棒的斜率由管徑、 壁厚、 機(jī)組成型區(qū)長(zhǎng)度共同決定。 當(dāng)已知機(jī)組成型區(qū)長(zhǎng)度、 卷管管徑和壁厚時(shí)， 即可計(jì)算出芯棒傾角θ； 反之， 當(dāng)已知芯棒傾角后，即可根據(jù)內(nèi)圈管卷曲長(zhǎng)度計(jì)算成型長(zhǎng)度， 即該成型部位的成型輥位置。 表1 為設(shè)定成型區(qū)長(zhǎng)度為1 100 mm 時(shí)， 不同管徑、 壁厚雙層卷管所需要的芯棒斜率的計(jì)算結(jié)果。

表1 設(shè)定成型區(qū)長(zhǎng)度為1 100 mm 時(shí)，不同規(guī)格雙層卷管芯棒斜率計(jì)算結(jié)果

2 雙層卷管生產(chǎn)異常分析

在上述分析基礎(chǔ)上， 下面針對(duì)一種成型異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析。 該異常樣管在生產(chǎn)時(shí)的主要表現(xiàn)為芯棒摩擦阻力大， 生產(chǎn)困難， 成品管外焊縫搭接不足 （如圖6 所示）， 存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。 為研究異常原因， 在最后一道芯棒與定徑輥配合進(jìn)行壁厚壓縮整形前、 后各取一段正常管與異常管， 對(duì)比發(fā)現(xiàn)定徑前異常管內(nèi)壁明顯成圓不良， 正常管內(nèi)壁成圓較好， 但經(jīng)過(guò)定徑輥后， 兩種管的內(nèi)壁成圓均良好， 無(wú)明顯目視差別。 圖7 為成型異常管和正常管的縱切、 橫切外形照片。 定徑前兩種管子制成鑲嵌樣后， 異常管內(nèi)壁成圓不良位置大約距內(nèi)壁起點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)220°處。

圖6 外焊縫搭接不足

圖7 成型異常管和正常管的縱切、橫切外形照片

2.1 定徑異常分析

為判斷異常樣管經(jīng)過(guò)芯棒與定徑輥擠壓后的變形是否正常， 取兩種樣管定徑前、 后內(nèi)外焊縫搭接區(qū)域與內(nèi)圈成型180°區(qū)域兩個(gè)部位測(cè)量維氏硬度及壁厚， 并按照 “硬化率= （形變后硬度－形變前硬度） /形變前硬度” 公式計(jì)算硬化率（見(jiàn)表2）。 同時(shí)， 通過(guò)稱重法計(jì)算變形前單位質(zhì)量帶鋼長(zhǎng)度及定徑前、 后管子的單位質(zhì)量長(zhǎng)度，按照 “變形率= （形變前單位長(zhǎng)度－形變后單位長(zhǎng)度） /形變前單位長(zhǎng)度” 公式計(jì)算管子的變形率 （見(jiàn)表3）， 正常管與異常管定徑前、 后壁厚測(cè)量結(jié)果如圖8 所示。 表2 和表3 中的1#為成型異常卷管， 2#為成型正常卷管。 通過(guò)兩種管變形前、 后其厚度、 硬化率及變形率可明顯看出，1#異常管雖經(jīng)定徑輥后內(nèi)壁圓度良好， 但與正常成型的2#管相比較有以下幾點(diǎn)不同： ①1#異常管變形前后壁厚大約都為500 μm， 基本無(wú)變化，而成型正常的焊管， 變形前壁厚360 μm 左右，成型后壁厚300 μm 左右， 壁厚明顯減薄； ②1#異常管各部位硬化率均只有11.5%， 與正常管33.3%的硬化率相比差異明顯； ③1#異常管定徑后的變形率只有3.56%， 與正常管的變形率13.51%相比差距較大。 綜上所述， 卷管在通過(guò)定徑輥時(shí)， 本應(yīng)與定徑輥中心處于同一垂直位置， 共同擠壓鋼帶的芯棒端頭中心位置已偏離，異常管未受到擠壓， 由于在過(guò)定徑輥前卷圓不良， 內(nèi)壁明顯小于正常管， 因此， 卷管在沿前進(jìn)方向通過(guò)芯棒時(shí)， 雖可由芯棒端頭強(qiáng)行外擴(kuò)整圓， 但導(dǎo)致芯棒與帶鋼間摩擦力極大， 生產(chǎn)困難。 同時(shí)， 管徑外擴(kuò)還會(huì)導(dǎo)致管子外焊縫處搭接外展， 導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂， 產(chǎn)生質(zhì)量隱患。

表2 正常管與異常管硬化率計(jì)算結(jié)果

表3 正常管與異常管變形率計(jì)算結(jié)果

圖8 正常管與異常管定徑前、后壁厚測(cè)量結(jié)果

2.2 成型異常分析

為了進(jìn)一步分析上述異常管內(nèi)壁成圓不良的原因， 可結(jié)合前述雙層管成圓過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。 已知異常卷管外徑Φ=12 mm、 帶鋼厚度h=0.5 mm， 成型機(jī)組變形區(qū)長(zhǎng)度L=1 100 mm（即第一個(gè)成型輥到內(nèi)圈卷曲540°時(shí)最后一個(gè)成型輥的距離）， 根據(jù)公式（6） 可計(jì)算芯棒斜率tgθ=4.71%。 當(dāng)機(jī)組芯棒斜率確定后， 將管徑Φ、壁厚h、 內(nèi)圈卷曲角度α=220°帶入公式 （7） 可計(jì)算出內(nèi)圈卷曲α 時(shí)距成型輥的距離l， 即

當(dāng)360°＜α＜540°時(shí)， 可由公式（8） 來(lái)計(jì)算

針對(duì)上述異常管， 通過(guò)管身不同位置橫截面的分析， 發(fā)現(xiàn)其卷曲異常的位置均在內(nèi)圈220°附近， 這說(shuō)明影響其成型的是固定位置的軋輥， 即距成型區(qū)427.7 mm 附近的軋輥， 通過(guò)上述方法可快速計(jì)算影響成型的軋輥位置，并通過(guò)對(duì)孔型及異常輥間隙等調(diào)整， 消除內(nèi)圈成型異常。 此外， 再通過(guò)芯棒端部中心位置與定徑輥的對(duì)中， 即可解決上述管材生產(chǎn)異常的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

（1） 通過(guò)分析雙層卷管的成型過(guò)程， 確定了帶鋼內(nèi)圈每卷圓90°時(shí)， 其軋輥的絕對(duì)縮進(jìn)量由卷管內(nèi)圈中間層的直徑?jīng)Q定， 但相對(duì)縮進(jìn)量卻為一固定值36.3%。

（2） 為保證卷管連續(xù)成型， 雙層管的中心芯棒需保持一定的斜率， 該斜率由管徑、 壁厚、 機(jī)組成型區(qū)長(zhǎng)度共同決定。

（3） 當(dāng)計(jì)算出芯棒斜率后， 即可通過(guò)內(nèi)圈卷曲角度計(jì)算出該成型輥在整個(gè)成型機(jī)組的具體位置， 協(xié)助進(jìn)行卷曲異常輥的調(diào)整。