凡揚華
(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900)
隨著我國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展,相關(guān)的零配件行業(yè)需求也迅速增長,由此帶來了對冷軋鋼帶產(chǎn)品的需求增加。以應(yīng)用于汽車剎車系統(tǒng)動力傳輸管路的雙層卷焊管(國外又稱邦迪管)為例,由于采用雙面鍍銅的冷軋薄鋼帶卷管成形工藝,具有尺寸精度高、防泄漏性能好的特點[1],因此得到了廣泛的應(yīng)用。
邦迪管的成形工藝原創(chuàng)于20世紀30年代的美國,經(jīng)歷了近100年的發(fā)展,在有關(guān)領(lǐng)域?qū)<业墓こ虒嵺`努力下,目前已衍生出兩種代表性的成熟工藝:歐洲制管線工藝和土耳其制管線工藝。國內(nèi)生產(chǎn)廠家從20世紀90年代初開始引進這兩種工藝的成套生產(chǎn)設(shè)備,并不斷摸索總結(jié)影響邦迪管質(zhì)量的各種設(shè)備因素[2]。同時也不乏有關(guān)科研院校的專家從理論上研究了邦迪管加工過程的關(guān)鍵特性以及對焊管質(zhì)量的影響控制模型[3]。本文在對比分析兩種制管工藝主要特點的基礎(chǔ)上,介紹了相匹配的冷軋鋼帶產(chǎn)品技術(shù)。
邦迪管采用雙面鍍銅的冷軋薄鋼帶(典型厚度0.35 mm),主要經(jīng)彎曲變形、連續(xù)軋制而成。制管工藝包括幾個典型工序:鋼帶鍍銅、分條、連續(xù)軋管、定徑、釬焊、冷卻、矯直、探傷。具體加工過程如下:薄鋼板上下表面被鍍上3 μm左右的銅層,鍍銅后的鋼帶為適合雙層卷管直徑的要求(如常用的汽車剎車系統(tǒng)管路直徑Φ4.76 mm)被精確地分切成具有嚴格邊部質(zhì)量要求的窄條;隨后窄條被送入連續(xù)精密軋管機構(gòu),軋制成雙層壁管件(如圖1所示);由于銅的熔點(1 083.4 ℃)比鋼的熔點(1 515 ℃)低,軋好的毛坯管通過加熱爐加熱至1 120 ℃左右,銅層先熔化,在隨后的冷卻過程中銅層再凝固,從而將層間粘合。
這種基本的加工原理通過工廠的工程實踐,派生出兩類典型的加工工藝:短小精悍、緊湊式的意大利—土耳其工藝和布局周全、自動化控制程度高的歐美工藝。前者占地規(guī)模小、投資小,軋管和釬焊段連續(xù)、單通道生產(chǎn),成品雙層卷焊管以盤卷的方式交給下游用戶進一步加工(如圖2所示),但由于一些小企業(yè)的整條設(shè)備全長只有約60 m,全線制管速度約30 m/min,且這種設(shè)備的穩(wěn)定性過分依賴操作者的經(jīng)驗,生產(chǎn)效率不高。
圖1雙層管橫截面圖2土耳其工藝雙層卷焊管成品
相比較而言,歐洲工藝具有分段式制造的特點,軋管段采用連續(xù)高速軋管,可達180 m/min的出管速度,軋好的管件在線按定尺剪裁成段,然后多通道并行(如40根一組)通過釬焊爐完成層間焊合,整條生產(chǎn)線全長可達150 m,生產(chǎn)效率較高。
以上兩種制管工藝的關(guān)鍵差異點如表1所示。
表1 兩種制管工藝的關(guān)鍵差異點
整個制管過程中軋管段非常關(guān)鍵,直接決定了焊管質(zhì)量(主要考慮釬焊過程的虛焊和搭接部缺陷)。軋管是一個非常精密的加工過程,可進一步細分為壓坡口、多道次雙層卷管和定徑工序[4-5]。
2.1.1壓坡口
壓坡口是對鍍銅后分條的兩個邊緣進行處理,使其具有如圖3所示的形狀。圖3中,b為帶鋼厚度,γ0和γ1,分別為內(nèi)、外邊緣傾角,L為分條寬度,h為內(nèi)、外邊緣的厚度。
這里的關(guān)鍵參數(shù)是邊緣的厚度h,由于分條時邊部的斷面形狀不均勻,壓平后會導致h大小不均勻,從而導致卷管后搭接部出現(xiàn)如圖4所示的缺陷,這種缺陷往往會被ETC探傷設(shè)備判定為不合格品,從而降低成材率。另外,焊管所用基材一般為等軸細晶粒鋼帶與扁平組織鋼帶,經(jīng)對比分析兩種材料的斷面形狀(如圖5、圖6所示),發(fā)現(xiàn)焊管外縫質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生與基材的微觀組織有關(guān),等軸細晶粒鋼帶在分條后的斷面更加整齊。
圖3 壓坡口后分條橫截面示意圖
圖4 雙層卷管的外縫質(zhì)量缺陷
圖5 等軸細晶粒組織與分條截面形貌
圖6 扁平組織與分條截面形貌
2.1.2多道次雙層卷管和定徑
將壓坡口處理后的帶鋼卷曲成在橫截面內(nèi)呈螺旋線型的管筒(如圖1所示)要求帶鋼在成型的行進中處于穩(wěn)定狀態(tài),除了通過設(shè)備孔型設(shè)計中的導衛(wèi)裝置和成型孔型中的止口來實現(xiàn)外,同時還要求基材具有一定的挺度。另一方面,考慮后續(xù)釬焊工序,雙層卷焊管的接合部位是360°的全圓周,并且釬焊過程是在無任何外加載荷下進行,這就要求管筒在成型過程中必須使層間形成一定的壓緊力,這樣才能使熔化的銅層在毛細管原理的作用下充分填充層間,不出現(xiàn)影響質(zhì)量的虛焊。
上述分析表明,基材應(yīng)具備較高的屈服強度,以保證鋼帶的挺度;另外,壓緊力的大小一部分也取決于材料的回彈,根據(jù)彎曲成型理論可知,彎曲回彈的大小依賴于基材屈服強度的大小。不僅如此,為了進一步保證足夠的層間壓緊力,制管工序上還增加了定徑工序,并在兩組定徑輥形成的孔型與管壁之間插入兩頂頭的芯棒,通過芯棒頂頭直徑與孔型直徑差對卷管進行減薄定徑。這種過盈軋制,進一步保證了層間壓緊力。
通過分析兩種材質(zhì)的基材在同一套軋管設(shè)備下定徑后的管筒橫截面尺寸(如圖7所示,其中1~8測量點是沿管內(nèi)壁周向八等份位置),發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)良好的基材與表現(xiàn)欠佳的基材相比,內(nèi)壁減薄量更大一些。
塑性應(yīng)變比理論公式為:
r=ln(w/w0)/ln(t/t0).
(1)
其中:r為塑性應(yīng)變比;w、w0分別為塑性變形前、后試件的寬度,mm;t、t0分別為塑性變形前、后試件的厚度,mm。
由式(1)可以知道,r值越大則越不容易減薄,因此對于雙層卷管的定徑減薄而言,r值不宜過大。
圖7 兩種材質(zhì)的基材內(nèi)壁厚度比較
由表1可知,土耳其工藝的主要不足是毛坯管經(jīng)釬焊工藝出爐后,立刻進入快速冷卻段,且冷卻段比較短,溫度從1 120 ℃迅速降至700 ℃左右,導致固溶的C、N原子來不及充分析出,在隨后的盤彎過程中,形成釘扎現(xiàn)象,導致屈服紋缺陷。因此,針對這種工藝的產(chǎn)品特性,關(guān)鍵是控制引起人工時效的元素析出。
而對于歐洲制管工藝,由于軋管段速度較高,因此對基材長度方向上產(chǎn)品特性的均勻性要求更高,同時,由于釬焊段冷卻速度慢,且采用捆匝交貨的方式,不存在屈服延伸現(xiàn)象發(fā)生的條件,故應(yīng)設(shè)計成連退向產(chǎn)品特性。
基于鋼廠的實際工藝條件,對于采用土耳其工藝的用戶群,采用罩式爐和低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品技術(shù),優(yōu)化了成分設(shè)計和配套的一貫制工藝,確保晶粒組織近似等軸的特征,成功解決了用戶盤管時的屈服紋、成品管時效性不過關(guān)等問題,累計向市場供貨超過10萬噸,得到用戶的認可。而對于采用歐洲工藝的用戶群,開發(fā)連退材質(zhì)的雙層卷焊管用材,具有較高的屈服強度,且性能更加穩(wěn)定和一致,實踐證明,用戶的成材率較之前有顯著提高。
本文重點分析了雙層卷焊管的加工過程及工藝特點,為滿足雙層卷焊管質(zhì)量要求,提出了冷軋鋼帶基材的產(chǎn)品設(shè)計要點:
(1) 從改善雙層卷管軋管成形質(zhì)量角度考慮,應(yīng)在滿足后續(xù)進一步總成加工的塑性要求前提下,適當提高基材的屈服強度,同時限制材料的塑性應(yīng)變比。
(2) 從改善雙層卷焊管成形質(zhì)量角度考慮,主要針對外縫質(zhì)量,應(yīng)在基材的成分和一貫制工藝上考慮,將基材的晶??刂茷榻频容S細晶粒。
(3) 從土耳其工藝和歐洲工藝的差異性角度考慮,對土耳其工藝而言,應(yīng)特別考慮盤管過程中出現(xiàn)屈服紋缺陷的風險,在基材的成分設(shè)計中添加一些合金元素,控制影響時效析出元素的量;對歐洲線而言,因其高速軋管的特點,要求基材長度方向上應(yīng)具有更加一致的產(chǎn)品特性,因此宜采用連續(xù)退火的冷軋鋼帶。
參考文獻:
[1]劉承杰,于恩林,吳堅.雙層卷焊管的生產(chǎn)研究[J].鞍鋼技術(shù),1994(5):42-44.
[2]張華平.雙層卷焊管生產(chǎn)工藝及其工藝參數(shù)控制的研究[J].機械工程與自動化,2011(5):105-106.
[3]于恩林,賴明道,吳堅.雙層卷焊管成型質(zhì)量的理論分析及實驗研究[J].鋼鐵,1996,31(1):40-43.
[4]于恩林,吳堅,賴明道,等.雙層卷焊管的工藝研究[J].鋼鐵,1988(7):31-34.
[5]肖景容,姜奎華.沖壓工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.