双金属复合无缝钢管三辊连轧成型过程的数值模拟

顾 瑄，马 叙，王献抗

(1.天津交通职业学院，天津 300110；2. 天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384；3. 天津理工大学 机械工程学院，天津 300384)

双金属复合无缝钢管三辊连轧成型过程的数值模拟

顾 瑄1，马 叙2，王献抗3

(1.天津交通职业学院，天津 300110；2. 天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384；3. 天津理工大学 机械工程学院，天津 300384)

通过Y型三辊二道次冷轧不锈钢/碳钢无缝管双金属复合材料成型过程模拟，得到了双金属复合无缝钢管界面处的结合强度，绘制了无缝钢管成型过程中的轴向应力、径向应力和环向应力，并且对成型钢管的管径与壁厚分布进行了说明。研究成果可为复合无缝钢管成型的工艺参数设计提供参考依据。

双金属复合无缝钢管；三辊两道冷轧；数值模拟

0 前言

不锈钢/碳钢双金属复合无缝钢管复合材料成型过程模拟是呈多重非线性。目前，关于冷轧双金属复合无缝钢管内应力的分布，暂时还没有相关理论文献的报道，由于缺乏理论的分析，在试制双金属无缝钢管时，设计的工艺参数只能用传统的经验设计来生产复合无缝钢管。

本文研究的复合无缝钢管对象为外层不锈钢、内层碳钢，通过研究复合钢管轧制成型过程，得到了界面处粘结复合机理，并获得了坯料轧制过程中的内应力分布以及内应力与成型管的直径、壁厚的影响。研究成果可为生产复合管类或板材类的工艺提供理论参考。

1 有限元模型与边界条件

双金属复合无缝钢管三辊两道次冷轧过程的有限元模型如下图1所示，生产复合无缝钢管的坯料由外层碳钢Q235、内层SUS316L不锈钢组成。管坯的材料模型均采用由实验获得的真实应力应变材料曲线。在计算中，采用了多个线性动力强化材料模型和米塞斯屈服准则，采用了直接约束法来匹配接触算法。

图1 钢管轧制过程有限元模型Fig.1 Finite element model of two cold-rolling

2 计算结果与分析

2.1 界面结合强度分析

在双金属复合钢管界面位置，复合钢管的等效应力分布如图2所示。可以知道，在无缝钢管的界面位置，平均等效应力为400MPa，最大的等效应力可达420MPa。结合区域的界面粘结强度，使用下面的公式确定[1]:

σ=f1σt1+f2σt2

式中，σ为复合钢管的界面处的结合应力强度值；σt1为外层管坯316L不锈钢的塑性硬化变形抗力应力值；σt2为内层管坯Q235钢塑性硬化变形抗力应力值；f1为外层管坯不锈钢覆层厚度的权值；f2为内层管坯Q235钢基层厚度的权值。通过上述公式可评估复合钢管轧制成型后界面处的粘结强度，由粘结强度来判断钢管的复合效果。

将外层管坯不锈钢与内层管坯碳钢的变形抗力应力值代入上述公式，可求出复合钢管的界面粘结强度，得到粘结强度约为414 MPa，说明在无缝钢管的界面处已达到相互结合的条件，能实现无缝钢管的界面可靠的结合。

图2 复合钢管在界面处的等效应力Fig.2 Interface equivalent stress below the rolling mill along the circle in NO.2 stand

2.2 应力分布及应力分布对成型钢管直径和壁厚精度影响的机理

2.2.1 稳定轧制阶段应力分布

图3为复合钢管轧制过程的示意图，图4为稳定轧制阶段的钢管外径、界面与内壁处沿周向的轴向应力、径向应力、环向应力分布。

图3 无缝钢管轧制过程示意图Fig.3 Rolling process diagram

钢管轧制过程中的应力分布具有如下规律：

(1)轴向应力对比分析。如图4a、4c和4e所示，从轴向应力分布曲线可以看出，在钢管的外径处，辊缝与辊缝临近区域分别为拉应力与压应力，数值均为180 MPa。在复合钢管的界面，最大的轴向拉应力和压应力发生的位置与外径一致，但应力值略有减小。在钢管的内壁位置，轴向压应力相对外径与内壁的应力值较小，而内壁处的拉应力则增加，最大拉应力为200 MPa，而最大的拉应力和压应力发生的位置与外径、界面处一致。

由图4b、4d和4f可知，管坯经第二道次轧制成型时，外壁处轴向应力分布呈现“W”型分布，且应力值有正值也有负值。在第一道次轧辊辊缝临近区域为压应力，为150 MPa；在第二道次轧辊辊缝处为拉应力，为210 MPa。界面与内壁有类似的规律分布。

(2)环向应力对比分析。如图4所示，分析钢管的环向应力分布曲线可知，在第一道次轧辊处，钢管的外径、界面与内壁处的应力均为压应力，且最大值的位置均发生在轧辊的辊缝附近处，最小压应力发生在轧辊的辊缝与轧辊下方位置，且最大环向压应力分别为100 MPa、40 MPa、30 MPa。在第二道次轧辊处，钢管的外径均为压应力，且最大环向压应力主要集中在第二道次轧辊的下方，数值为400 MPa，在轧辊的辊缝附近的环向应力相对其它位置较小。

(3)径向应力对比分析。径向应力与环向应力的大小基本相等，分布规律较为类似。

图4 复合钢管轧制过程的三向应力曲线Fig.4 Three-dimensional normal stress distribution curve of the double metal composite seamless steel tube in stable rolling stage

2.2.2 应力分布对钢管轧制后的直径与壁厚精度的影响

经轧制成型后，复合钢管的直径与壁厚的分布如图5所示。由图5可知，经过第一道次的轧制，钢管的外壁在辊缝处有较大的壁厚与直径。由曲线可知，钢管在第一道次轧辊的三个辊缝处产生了三个小的凸耳，在内壁处也同样产生了三个小的凸耳，但不明显。

经过第二道次轧制后，由于第二道次的轧辊与第一道次轧辊的布置方式相反，故，在第一道次轧制后产生的凸耳刚好处于第二道次轧辊的下方，经轧制成型后后，钢管的凸耳变小。而第二道次轧辊的辊缝位置也出现了三个较小的凸耳，由曲线可知，经过两道次的轧制成型，钢管的直径与壁厚已经非常的接近成型钢管的标准值。

由图5可知，在轧制过程中，钢管在轧辊下方以及辊缝附近区域具有较高精度的成型质量，而在辊缝处，钢管的直径、壁厚与标准值相差较大。由两道次轧制过程中钢管外径应力分布规律可知，在第一道次轧辊的辊缝位置有较大的轴向拉应力，其余两向应力则较小；在轧辊辊缝附近处，存在着较大的环向和径向压应力，轴向压应力相对较小。所以，钢管轧制成型后的直径与壁厚质量主要由轴向拉应力决定。

图5 复合钢管轧制成型后直径与壁厚分布Fig.5 Curve of the seamless steel tubeforming diameter and wall thickness

3 结论

(1)通过研究复合钢管轧制成型过程，得到了界面处粘结复合机理，并获得了坯料轧制过程中的内应力分布以及内应力对成型管的直径、壁厚的影响。研究成果可为生产复合管类或板材类的工艺提供理论参考。

(2)通过本文对成型后复合钢管的直径、壁厚的研究，可为轧辊的设计、轧辊的孔型选取以及轧辊个数的选取具有一定的参考价值。

[1] N. D. Lukaschkin，A. P. Borissow. Interface surface behaviour in the upsetting of sandwich metal sheets[J]. Journal of Materials Technology，1996，(61)：292-297.

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[5] 宗家富，张文志，许秀梅，等. 不锈钢/碳钢复合板带可逆冷轧过程有限元模拟[J].轧钢, 2004(6):21-25.

[6] 许秀梅，张文志，宗家富，等. 基于有限元模拟的不锈钢/碳钢复合板极限压下量研究[J].重型机械, 2003(6):21-25.

Numerical simulation on double metal composite seamless steel tube forming process of three-roller continuous rolling

GU Xuan1, MA Xu2, WANG Xian-kang3

(1.Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110，China；2.School of Material Science & Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China;3.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

A finite element analysis of the elastic-plastic by applying the MSC.MARC software was put forward, the numerical simulation of the Y shape three roll two cold-rolling stainless steel/carbon steel double metal composite seamless steel tube process was conducted. Based on the numerical simulation, the interface bonding strength during the Y shape three roll two cold-rolling were obtained by the finite element analysis. The distribution of the axial stress, circle stress and radial stress were drawn below the Y shape rolling mill along the circle. The mechanism of the tube cold-rolling process and the effect of the forming steel tube both the diameter and wall thickness accuracy were explained according to the stress distribution. The results of the research can be applied to the design of the technical parameters in the forming process.

double metal composite seamless steel tube; three roll two cold-rolling; numerical simulation

2016-03-04；

2016-03-21

国家自然科学基金项目(50975205) ；天津市科技发展计划项目(12ZCZDGX00600)

顾瑄 (1973-) ，女，天津交通职业学院副教授，研究方向：固体力学数值方法及其应用。

TG335.7

A

1001-196X(2016)03-0059-04