供稿|陳志國，翟進坡，史秉華，田路

作者單位：唐山市德龍鋼鐵有限公司，河北 唐山 063000

內(nèi)容導讀

針對ER70S-6焊絲鋼在粗軋后出現(xiàn)的褶皺缺陷，利用有限元模擬與實驗相結合的方法，研究了第三道次橢圓孔入口軋件的高度對該道次應力應變及金屬流動規(guī)律的影響，并進行了實驗驗證。結果表明：第3架軋機軋件入口高度減小2 mm時，粗軋后褶皺平均深度由126.46 μm減小為83.47 μm。

ER70S-6低合金焊絲鋼盤條是制作CO2氣體保護焊的主要原材料，主要由鐵素體和珠光體等復相組織組成，在橋梁、鍋爐、船舶、車輛制造以及其他工業(yè)制造行業(yè)都有著廣泛的應用，是國內(nèi)外應用最廣泛的氣體保護焊絲鋼[1-2]。通過熱軋工藝來生產(chǎn)，涉及到高溫變形，表面質(zhì)量是其面臨的最主要問題[3]，其中褶皺是影響線材表面質(zhì)量的主要因素之一。作為常見的缺陷，褶皺無論出現(xiàn)在邊緣還是表面，都會對鋼坯造成損傷，導致生產(chǎn)成本的增加。如果表面存在褶皺缺陷，會在后續(xù)加工過程中造成傳播，最終導致零件失效[4-5]。因此，有必要對其進行優(yōu)化。目前國內(nèi)外許多學者利用有限元對線材軋制進行了模擬并分析了褶皺的產(chǎn)生原因[6-9]。喬明亮等發(fā)現(xiàn)輥縫的調(diào)整不當會導致線材出現(xiàn)缺陷[10-11]。韓際清等通過實驗提出了褶皺產(chǎn)生的原因和解決方法[12-13]。

唐山德龍鋼鐵有限公司軋線采用了150 mm×150 mm坯料，粗軋孔型為：箱-箱-橢圓-圓-橢圓-圓型孔。為了適應更廣泛的產(chǎn)品需求，現(xiàn)將150 mm×150 mm坯料改為160 mm×160 mm，并且前兩架箱型孔改為無孔型圓柱形輥。圓柱形輥身軋制雖然能夠減少換輥頻率、提高生產(chǎn)效率，但從軋件變形角度來說，經(jīng)前兩架圓柱形輥身軋制后，坯料圓角部并沒有進行加工，試樣直接進入第3架橢圓孔型，使得軋件圓角部變形更加劇烈，從而極易導致軋件變形失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺。

因此，本文利用有限元模擬與實驗相結合的方法，針對方形軋件進入第三道次橢圓孔型的變形條件，模擬了變形過程中的應力應變分布和金屬流動規(guī)律，通過調(diào)整進入第三道次橢圓孔方形軋件高度，研究了橢圓孔入口軋件尺寸對軋件角部變形和應力應變的影響，確定了褶皺出現(xiàn)的位置，并進行了實驗驗證。

粗軋有限元模型

鑒于前兩架為平輥，利用Abaqus有限元軟件對第3～6架粗軋過程進行三維實體建模，將第2架出口坯料作為工件，尺寸為131 mm×131 mm。為了提高計算效率，根據(jù)工件及邊界條件的對稱性，建立了1/4模型進行分析，見圖1(a)。軋輥設為解析剛體，軋件設定為彈塑性各向同性材料，采用C3D8RT單元進行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為59312個，施加對稱邊界條件，限制對稱面垂直方向上的位移。軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)為0.3。軋件表面的對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，輻射系數(shù)為0.8，熱傳導方式是軋件與軋輥的主要換熱方式，換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。軋輥溫度設置為恒溫，溫度為300 ℃；外界環(huán)境溫度為20 ℃。在軋制過程中，軋件因塑性變形生熱與摩擦生熱等原因，設定功與熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。對軋輥施加角速度，其數(shù)值與實際生產(chǎn)相一致。

為了分析褶皺出現(xiàn)的原因，將從材料橫向流動速度以及橫向變形程度兩個方面重點研究角部圓角在進入孔型后的變形情況。節(jié)點從軋件左上到右下選取10個節(jié)點，跨越圓角處，通過對節(jié)點的追蹤分析，研究不同區(qū)域處各場量的分布情況，得到材料流動規(guī)律，預測褶皺產(chǎn)生的位置，節(jié)點選擇如圖1(b)所示。

有限元模擬結果與分析

軋件變形分析

在軋制過程中，應力應變的分布反映了金屬變形情況[14-15]。圖2給出了第3架軋機軋制時工件的等效塑性應變及等效應力分布圖，等效應變最大的部位出現(xiàn)在軋件的角部位置，角部的等效應變最大值可達到1.26，其他位置的等效應變值在0.3～0.7之間。同時，工件上應力分布也是不均勻的，工件角部等效應力較大，達到了206.5 MPa，其他位置的等效應力在107.5～190 MPa?？梢?，盡管軋件角部溫度低，但卻承受較大的壓縮變形，容易造成軋件側(cè)壁失穩(wěn)，形成褶皺缺陷。

圖1 有限元模型的建立

粗軋褶皺產(chǎn)生位置的確定與驗證

在粗軋飛剪處取樣觀察褶皺產(chǎn)生的位置，并將其標記在粗軋試樣的橫斷面上，見圖3(a)。利用有限元軟件追蹤坯料圓角附近節(jié)點的運動情況，圖3(b)給出了坯料圓角與粗軋試樣的對應位置，與水平之間的夾角為35°～42°。兩者對比發(fā)現(xiàn)，褶皺主要發(fā)生在坯料圓角附近處。

軋件高度對粗軋第三道次變形時壓縮應變的影響

圖4為第三道次入口軋件高度尺寸對軋件角部橫向?qū)捳箲兗皦嚎s應變的影響。當軋件高度由128 mm變?yōu)?32 mm時，壓縮應變由-0.261降為-0.293?？梢姡瑴p小第三道次軋件入口高度會同時降低壓縮應變，減輕角部變形程度，從而減輕角部變形的不均勻程度和激烈程度，降低軋件失穩(wěn)的幾率，進而抑制褶皺的發(fā)生。

圖2 軋件變形情況

圖3 褶皺產(chǎn)生位置的確定

圖4 第三道次軋件入口高度對軋件角部壓縮應變的影響

圖5為第3架軋機軋件入口高度對軋件角部節(jié)點運動速度的影響。當減小第3架軋機軋件入口高度時，圓角節(jié)點最大速度差由18.84 mm/s減小為14.99 mm/s，然而增大第三架軋機軋件入口高度時，則會使圓角節(jié)點最大速度提高到27.62 mm/s?？梢姡敎p小第三架軋機軋件入口高度時，軋件圓角附近節(jié)點流動差異變小，這有利于抑制褶皺產(chǎn)生，提高表面平整度。

實驗驗證

圖5 第三道次軋軋件入口高度不同時圓角節(jié)點最大速度對比

為了驗證第3架軋機軋件入口高度對粗軋表面缺陷的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，僅調(diào)整第3架軋機軋件入口高度，調(diào)整量為±2 mm。通過光學顯微鏡和掃描電鏡觀察表面褶皺的形貌，見圖6，并測量統(tǒng)計其平均深度，如表1所示。

表1 粗軋褶皺平均深度

結合圖6與表1可知，減小第3架軋機軋件入口高度，粗軋后軋件表面褶皺條數(shù)明顯減少，褶皺深度明顯減小。與正常軋制時軋件入口高度相比，第3架軋機軋件入口高度減小2 mm時，粗軋后軋件的表面平均褶皺深度減小約43 μm，而第3架軋機軋件入口高度增大2 mm，粗粗軋后軋件的表面平均褶皺深度則會增加約58 μm。這表明減小第3架軋機軋件入口高度能有效降低褶皺平均深度，有利于鋼種表面質(zhì)量的改善。

結束語

(1) 利用有限元軟件追蹤了坯料圓角節(jié)點的流動情況，并與粗軋褶皺產(chǎn)生位置進行對比，結果表明褶皺發(fā)生在坯料圓角附近。

(2) 第3架軋機軋制時，相比其他位置，坯料角部承受較大的應力，變形程度劇烈。

(3) 減小第3架軋機壓下量有助于降低角部所承受的變形量，從而抑制褶皺的產(chǎn)生。實驗表明，將第3架軋機壓下量減小2 mm，粗軋試樣平均褶皺深度從126.46 μm降到了83.47 μm，這驗證了有限元模擬的有效性。

圖6 粗軋試樣褶皺形貌