何宗霖

(山西工程職業(yè)技術學院 機械工程系，山西 太原 030009)

0 引言

目前雙金屬復合管的生產方法主要包括冷成型法、離心鑄造法、冷軋法、爆炸焊成型法等。其中，冷成型法基層和覆層鋼管僅僅是通過機械擠壓結合，結合層沒有形成冶金融合，容易在較大外力或較高溫度下引起結合面應力的釋放而失效分離，結合強度較差；冷軋法僅局限于有縫鋼管的復合，且在目前條件下成本投資太大；離心鑄造法由于鑄造工藝所形成的粗大的鑄態(tài)組織，使得所得的復合管力學性能大打折扣；爆炸焊成型法復合層復雜，難以形成冶金融合，而且當鋼管比較長的時候，炸藥的用量不好控制，在操作上易造成一定的危險性。筆者所采用的復合管生產方法是利用三輥鋼管軋機熱軋復合管坯，以期生產出尺寸精度高、內外管管面質量好、復合層達到冶金融合強度的可滿足輕工、機械、石油、化工甚至核電等行業(yè)要求的復合管。本文針對三輥熱軋復合管在制坯過程中的關鍵工藝參數壁厚比做了相應的仿真研究，為實際生產雙層金屬復合管的制坯工藝提供指導依據。

1 復合管坯的制備

使用太原科技大學的三輥斜軋鋼管軋機(如圖1所示)進行軋制試驗，軋制鋼管型號為Φ67×6→Φ38×3，故管坯的總尺寸為壁厚6 mm、最大外徑Φ67 mm、長度為1 000 mm。

圖1 三輥斜軋鋼管軋機外形圖

對于復合管坯內外管厚度的選取，采用如表1所示的3種制坯方案。坯料準備好以后，再采用熱裝的方法，即對外管加熱到500℃左右，再將內外鋼管套裝在一起，然后冷卻至常溫即可完成制坯。

表1 復合管厚度配比方案

2 有限元模型的建立

通過對該軋機進行實際測量，得到關鍵工作部件的基本尺寸，并利用DEFORM有限元軟件進行建模，得到的三輥斜軋復合管有限元模型如圖2所示。

圖2 三輥斜軋復合管有限元模型

具體軋制過程為：三軋輥同時做等速同方向回轉運動，軋輥表面呈傾斜狀態(tài)，有一定的咬入能力；出口相比入口較小，保證了減壁量；推塊的作用是給予復合管坯一定的初始速度，當復合管坯接觸到三軋輥的瞬間，在巨大的咬入力作用下完成后續(xù)的軋制過程；而芯棒的作用是保證出口處的成品復合管不會發(fā)生彎曲變形。

2.1 網格的劃分

利用DEFORM自帶的網格劃分功能對3種復合管坯方案進行網格劃分，利用圓環(huán)輥軋模塊，對復合管的外管和內管分別做六面體網格劃分，再將其組合到一起。為了保證計算精度和運算速度，網格數目控制在10萬個單元以下，網格最小邊緣尺寸為3.3 mm。3種復合管坯網格劃分模型如圖3所示。

圖3 3種復合管坯網格劃分模型

2.2 邊界條件定義

根據三輥斜軋機電機轉速換算可以計算出軋輥的回轉角速度，故定義三軋輥角速度都為16.7 rad/s，回轉方向一致。推塊的初始速度定義為10 mm/s。當復合管坯與軋輥接觸即發(fā)生咬入，由于咬入后軋制速度遠大于推塊的速度，因此推塊在軋制過程中自動與復合管坯發(fā)生分離。軋制溫度定義為800 ℃。

2.3 接觸關系定義

三軋輥與復合管外管的接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數根據測量定義為1.67。芯棒與復合管內管的接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數根據測量定義為0.3。推塊與內外復合管坯接觸定義為可分離，摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因數根據測量定義為0.3。內外復合管坯定義為不可分離，不需要摩擦因數。

2.4 模擬控制

采用ALE滾壓法模擬，模擬步數設置為20 000步，儲存步數間隔100，結果步數定義為隨時間增量，常數為0.001 s。網格重劃分干涉深度設為相對，為了保證仿真的收斂性，相對值取為0.7。求解器選用稀疏矩陣法，并采用直接迭代法。

3 后處理分析

方案1復合管成品質量如圖4所示，可見復合管內管在軋制出口處出現了嚴重的破裂，其原因是內外管材料塑性變形的不一致導致軋輥在碾壓區(qū)軋制時在接觸面產生了較大的應力集中，當應力超過了內管的強度極限，內管就出現了破裂。繼續(xù)軋制將導致內管被外管的塑性變形所拉斷。

方案2復合管成品質量如圖5所示，可見內外管都發(fā)生了一定程度的塑性變形，但塑性導致金屬在軋制方向的頭部流動出現了明顯的不一致。繼續(xù)軋制下去會導致內外管出現重合度過低的狀態(tài)，在生產實際中沒有太大的使用價值。

圖4方案1復合管內管成品質量圖

圖5 方案2復合管成品質量圖

方案3復合管成品質量如圖6所示，可見內外管塑性變形基本一致，尾部質量比較平整，頭部由于在軋制過程中屬于自由態(tài)，沒有約束，因此出現了不太平整的塑性變形，但相比方案2可以看出，內外管在軋制中塑性變形基本一致，成品重合度高，建議在實際生產中使用。

圖6 方案3復合管成品質量圖

4 結論

(1) 本文利用DEFORM軟件建立了三輥熱軋?zhí)间撆c不銹鋼復合管的有限元模型，結合實際軋制過程，確定其邊界條件、模擬參數及接觸關系。完整地模擬了不同壁厚45鋼與316不銹鋼的三輥熱軋過程。

(2) 根據模擬仿真的結果，對比分析了三輥熱軋復合管坯的過程中外管與內管壁厚比為2∶1時的破裂原因和外管與內管壁厚比為1∶1時金屬塑性變形不一致的原因，最終確定了外管與內管壁厚比為1∶2為最佳制坯方案。