何宗霖

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系， 山西 太原 030009）

雙金屬?gòu)?fù)合材料管由兩種不同的金屬材料、比如合金鋼和碳鋼通過各種變形和綜合技術(shù)使兩種材料結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體，是一種新型的金屬?gòu)?fù)合管道。其一般設(shè)計(jì)原則是，基層管材滿足管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，且涂層管材耐腐蝕或耐磨。雙金屬?gòu)?fù)合管相對(duì)于整體合金管可以有效地降低成本?？紤]到整體合金管應(yīng)力腐蝕開裂對(duì)環(huán)境的敏感性，雙層金屬?gòu)?fù)合管可以提高安全性和可靠性。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，許多金屬管道綜合性能的要求越來越高，因此雙金屬?gòu)?fù)合管及其生產(chǎn)技術(shù)得到了快速的發(fā)展[1]。

目前雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)方法主要包括冷連軋法、水壓法、離心鑄造法、爆炸成型法等。普遍存在的問題基本包括：結(jié)合層結(jié)合力弱，達(dá)不到冶金融合的效果；實(shí)踐成本高，操作有一定的危險(xiǎn)性等等[2]。本文采用皮爾格熱軋復(fù)合管，以期能夠?qū)崿F(xiàn)不銹鋼和碳鋼管的生產(chǎn)。

1 皮爾格軋制復(fù)合管工藝

實(shí)驗(yàn)用皮爾格軋機(jī)如圖1所示，圖1中框內(nèi)即為軋輥，軋輥上開有變截面的孔型，鋼管是由此上下軋輥反復(fù)軋制成形的。軋制時(shí)將復(fù)合管坯加熱至800℃

2 有限元模型的建立

皮爾格熱軋鋼管的有限元模型如圖2所示。模型由上、下軋輥，管材，芯棒和推塊組成[4]。將軋輥、芯棒、推塊設(shè)定為剛體，復(fù)合管坯定義為塑性體。

圖1 皮爾格軋機(jī)總圖

圖2 皮爾格熱軋復(fù)合鋼管鋼管有限元模型

其工藝參數(shù)與有限元模擬所使用的工藝參數(shù)完全一致，見下頁(yè)表1。

2.1 網(wǎng)格劃分

復(fù)合管坯網(wǎng)格劃分如下頁(yè)圖3所示，采用deform自帶圓環(huán)輥軋建立內(nèi)外復(fù)合管六面體網(wǎng)格。外管最小邊緣長(zhǎng)度1.97mm，內(nèi)管最小邊緣長(zhǎng)度3.4mm。網(wǎng)格劃分太小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量大幅提升，精度也不會(huì)明顯提高。

表1 皮爾格冷軋機(jī)基本工藝參數(shù)

圖3 復(fù)合管坯網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件定義

通過實(shí)際測(cè)量得到軋輥的平移速度為1680mm/s，進(jìn)而得到軋輥角速度為11 rad/s。上下軋輥平移速度方向大小一致；角速度大小相等，方向始終相反。

2.3 接觸關(guān)系定義

摩擦類型選用庫(kù)倫摩擦，實(shí)際生產(chǎn)中在800℃進(jìn)行，潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，所以設(shè)定軋輥、芯棒與管材之間的摩擦系數(shù)為0.1。推塊與復(fù)合管外管、內(nèi)管接觸關(guān)系為不可分離。

2.4 模擬控制

采用拉格朗日增量算法，結(jié)果步數(shù)定義為跟隨模具位移，常數(shù)值為0.7 mm；網(wǎng)格重畫分干涉深度定義為相對(duì)，相對(duì)值為0.7；迭代法采用直接迭代法，求解器選用共軛梯度法；步數(shù)step設(shè)定每40步一保存。

3 有限元模擬后處理

3.1 頭部及尾部質(zhì)量

由圖4可知，頭部在整個(gè)軋制過程中沒有到邊界條件的約束，兩種金屬材料塑性變形不一致，所以出現(xiàn)了層次不齊的現(xiàn)象。成品管材需要鋸切掉這段。尾部由于推塊的約束，非常平整。

3.2 軋制過程中金屬流動(dòng)情況

圖5為復(fù)合管軋制過程中4個(gè)典型截面出現(xiàn)的金屬流動(dòng)變化，結(jié)合4個(gè)典型截面和附近區(qū)域，兩種金屬的流動(dòng)方向基本一致。截面1、2、3主要體現(xiàn)在周向流動(dòng)，截面4即復(fù)合管自由端的位置，金屬主要沿軋制方向流動(dòng)。

圖5 軋制過程中4個(gè)典型截面金屬流動(dòng)變化

3.3 等效應(yīng)力

由圖6可以看出，外管的最大應(yīng)力主要集中在與軋制大變形區(qū)域，最大應(yīng)力可達(dá)312 MPa，頭部及尾部應(yīng)力稍小，102 MPa左右；內(nèi)管的最大應(yīng)力分別分布在與外管對(duì)應(yīng)的接觸變形區(qū)，最大應(yīng)力值為402 MPa，頭尾部應(yīng)力在50.5～101 MPa，局部可達(dá)201 MPa。

圖6 內(nèi)外管應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1）本文利用DEFORM-3D建立了皮爾格熱軋45鋼與316不銹鋼復(fù)合鋼管軋制的有限元模型，結(jié)合生產(chǎn)工藝，確定其模擬參數(shù)，邊界條件及摩擦接觸關(guān)系。完整的模擬了從復(fù)合管坯到成品復(fù)合管的熱軋過程。

2）根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，分析了皮爾格熱軋復(fù)合管坯的過程中：復(fù)合管頭尾部質(zhì)量原因；各階段雙層金屬管金屬流動(dòng)變化規(guī)律；復(fù)合管內(nèi)外管表面等效應(yīng)力分布規(guī)律。