李 雯

(寶鋼研究院梅鋼技術中心，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，通常需在盤管機上盤繞成直徑0.8～1.5 m的捆卷再進行下道工序的加工。但在此過程中，焊管表面常會產(chǎn)生斜向45°左右的小褶皺，俗稱“屈服紋”，嚴重時有突起手感，影響管材的表面質量，見圖1。產(chǎn)生褶皺的焊管在拉伸機上進一步加大變形量時會產(chǎn)生明顯的藕節(jié)狀不均勻變形，如圖2所示。

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

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

對類似問題的研究發(fā)現(xiàn)，將冷軋低碳鋼加工成成型件時，由于材質及變形工藝不當，極易在工件表面形成各類起棱、起皺和橘皮紋等缺陷，嚴重時還會開裂。據(jù)有關學者研究，類似缺陷的產(chǎn)生多與鋼板拉伸應力- 應變圖中的屈服點延伸密切相關[1- 2]。通過減小、消除、推遲或避開屈服點延伸，可有效地避免上述缺陷。如林紅春[3]通過減小變形量，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]通過預噴砂、避免熱處理等方法消除了鋼制拉伸藥筒的表面起棱；項志量[6]通過短時間人工時效降低拉伸應力- 應變曲線的斜率、推遲屈服點延伸消除了2024合金表面的滑移線；連福亮等[7]通過預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，本文也對其屈服點延伸與表面質量的相關性進行了研究，并分析了鋼帶材質、加工工藝等對該缺陷產(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程屬于薄壁管材無芯彎曲變形。當卷焊管由直管變?yōu)榫哂幸欢ㄇ实膹澒軙r，管子外沿在切向拉應力的作用下產(chǎn)生伸長變形，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力- 應變圖

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長一段在INSTRON 5582拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率4 mm/min，結果列于表2。圖4為兩種卷焊管的拉伸應力- 應變圖。由這些結果可見，除表面褶皺焊管的強度略高于正常管外，兩種焊管的拉伸應力- 應變圖基本相同，都沒有明顯的屈服點延伸。但將拉伸應力- 應變圖放大后則可發(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延伸平臺，而正常管的相同部位則為平滑的曲線。關于屈服點延伸，王必磊等[9]在“關于低碳鋼屈服點延伸現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀”一文中提到：有學者認為該現(xiàn)象是鋼板在自然時效或熱處理后，原間隙固溶于晶胞中的C、N原子從中析出并偏聚于位錯，與位錯發(fā)生交互作用形成柯氏氣團釘扎位錯，在鋼板發(fā)生拉伸變形時，當外力足以克服釘扎阻力時位錯脫釘，柯氏氣團對位錯的不斷釘扎和脫釘導致鋼板表面出現(xiàn)與試樣拉伸軸向成45°左右夾角的不均勻褶皺帶，也稱呂德斯帶。也有學者認為，呂德斯帶是基體內(nèi)的間隙原子向晶界偏聚，強化了晶界，變形過程中位錯通過晶界時受到的阻力增大從而產(chǎn)生屈服點延伸。不論屈服點延伸的形成機制如何，由于屈服點延伸而導致鋼板變形時出現(xiàn)起皺已得到眾多學者的認可。從上文中對焊管盤管變形量的計算可知，雙層卷焊管盤管時的變形量基本為0.5%～1.0%，而褶皺焊管的屈服點延伸也恰好發(fā)生在該范圍，由此可以認為，焊管盤管時產(chǎn)生的褶皺正是這一變形區(qū)間的屈服點延伸所導致。

表2 卷焊管的力學性能Table 2 Mechanical properties of the brazed tube

圖4 有、無褶皺的卷焊管的拉伸應力- 應變圖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 鋼帶材質對屈服點延伸的影響

一般認為，由屈服點延伸引起鋼板變形時表面發(fā)生褶皺需滿足兩個條件，即鋼板具有屈服點延伸和變形恰好發(fā)生在該屈服點延伸平臺。為此，分別選取由在連續(xù)爐退火的鋼帶(以下簡稱連退鋼帶)和在罩式爐退火的鋼帶(以下簡稱罩退鋼帶)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，按上述的拉伸試驗方法測定盤管前、后的力學性能(見表4)及拉伸應力- 應變圖(如圖5所示)。

表3 鋼帶的化學成分(質量分數(shù))Table 3 Chemical compositions of the steel strip (mass fraction) %

兩種卷焊管的拉伸應力- 應變圖表明，連退鋼帶與罩退鋼帶均無明顯的屈服點延伸，但經(jīng)卷曲成型及高溫釬焊后，由罩退鋼帶制造的焊管(以下簡稱為罩退焊管)出現(xiàn)1.2%的短暫屈服點延伸；但經(jīng)過0.5%～1.0%的盤管變形后，屈服點延伸消失，拉伸應力- 應變曲線平滑，塑性變形均勻，焊管表面也無褶皺。而由連退鋼帶制造的焊管(以下簡稱連退焊管)在盤管前就存在5.3%的屈服點延伸，經(jīng)過盤管變形后未能完全消除，仍有1.8%的屈服點延伸。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，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，并開始向位錯、晶界等缺陷處擴散，隨后冷卻時，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、晶界等處偏聚[10]，形成柯氏氣團或強化了晶界，增大了位錯通過的阻力，導致焊管屈服點延伸。這種連退焊管與罩退焊管盤管前存在的屈服點延伸差的原因，可能是連退焊管的碳含量較低，其滲碳體更細小，釬焊時更易回溶。此外由于退火方式的差異，連退鋼帶的固溶碳含量也較高，因此釬焊過程中，碳原子在位錯或晶界的偏聚更多，在以上兩種因素的共同作用下，一方面造成連退焊管的強度更高，另一方面屈服點延伸也更明顯。從這兩種材料卷焊管盤管前、后的拉伸應力- 應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，連退焊管的屈服點延伸未完全消除，當變形發(fā)生在該區(qū)間時即出現(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)的拉伸應力- 應變圖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性能Table 4 Mechanical properties of the steel strip and the brazed tube

2.2 釬焊溫度對屈服點延伸的影響

由上述分析可知，由于釬焊會造成焊管間隙固溶原子擴散，從而導致焊管屈服點延伸有差異。為進一步驗證釬焊溫度對焊管屈服點延伸的影響，又進行了不同釬焊溫度的試驗。試驗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，卷管的釬焊溫度設定為1 130和1 105 ℃，分別對在這兩種溫度卷焊的鋼管在盤管變形前(直管)、后(彎管)進行拉伸試驗，其拉伸應力- 應變圖如圖6所示，力學性能如表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)的拉伸應力- 應變圖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性能Table 5 Mechanical properties of the tubes brazed at different temperatures

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

以上試驗結果說明，釬焊溫度對雙層卷焊管屈服點延伸及表面褶皺的產(chǎn)生有影響。據(jù)有關文獻[11- 12]報道，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在晶界上的分布比例減小，屈服點延伸也隨之減小。本文試驗結果表明，釬焊溫度越高，奧氏體相變越充分，晶粒也越粗大，因此屈服點延伸也越短。

3 結論

(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)生在該屈服點延伸區(qū)間，則會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造成其固溶碳含量的差異，當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，由于滲碳體回溶度的不同，也會造成碳原子在位錯或晶界偏聚的不同，導致盤管變形前屈服點延伸的不同及變形后褶皺的差異。

(3)釬焊溫度對褶皺的產(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。