焊管成型方法,焊管制造過程

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至德鋼業不銹鋼焊管成型的過程工藝方法

至德鋼業不銹鋼焊管成型的過程工藝方法

來源:310S大口徑耐高溫焊接管 ? 發布:2020-04-14 22:54:35 ? 類別:不銹鋼焊管

  不銹鋼焊管屬于輥式冷彎成型,它具有輕型、薄壁等特點,是一種用途廣泛的高效型材。在輥式成型過程中,帶材經一系列軋輥(平輥、立輥)連續彎曲而得到一定的斷面形狀。在這個過程中,帶材要經過非常復雜的彈塑性大撓度彎曲變形,同時伴有中性面的擠壓、剪切,是橫向變形和縱向變形綜合的物理、幾何非線性問題,因此其理論解析十分困難,目前還沒有統一的數學模型。


  不銹鋼焊管成型過程中,輥型設計的好壞直接影響到焊管的質量甚至成敗。而孔型設計和工具設計任務繁重,是一項經驗性很強的工作,甚至說是一門藝術,需反復試制??仔驮O計與成型過程分析是密不可分的,成型過程的分析主要包括確定管坯的空間形狀、應變及應力分布、成型所需的功率、軋輥與管坯間的相對滑動速度等。通過對成型過程的分析,可以檢驗孔型設計的正確性,減少試制的次數,具有理論和現實的意義。


  成型過程的分析方法,分為五類,即整體幾何分析法,能量法,實驗法,CAD法和有限元法,整體分析法是不考慮成型輥對帶鋼成型的局部影響,以成型區中的管坯整體為研究對象。它通過比較各種成型方法中管坯邊緣的總體延伸來鑒別這些方法的優劣。由于它沒有考慮局部影響,因此不能提供各個點的應變、應力等全方位的信息。


1. 能量法


   能量法是指通過建立含有若干待定系數的全能或全功率范函,然后對該能量或范函取極小化來確定這些參數,進而確定物體變形的分析方法。早在1962年就用能量方法分析了角材的連續彎曲。


  簡化假定: 管坯的橫截面始終為平面并垂直于軋制軸線,垂直于軋制軸線的每個斷面上的中性面寬度不變并等于帶鋼的初始寬度。通過聯立拉格朗日坐標和歐拉坐標方程來確定主變形及變形強度、應力強度,進而計算內力的全部功,利用拉格朗日中值定理,并設外力功恒定,確定未知函數,最后求出內力功的極小值。


   文獻認為平斷面假說對于連續彎曲的成型情況是不允許的。按圣維南原理,平斷面假設僅適用于遠離外力作用、接觸變形區內的應力波及不到的地方,其次,平斷面導致了成型區不準確的縱向變形圖,這種圖是單值的,除帶鋼中央纖維外,全部纖維處于拉緊狀態,拉伸變形從中央向邊緣增加。


文獻的管坯變形分析工作:


  a. 假設管坯在變形區中的構形是已知的,它由成型工具的孔型所決定的橫斷面形狀按設計規律均勻變化。


  b.建立拉格朗日坐標系和歐拉坐標系,用拉格朗日坐標系與帶鋼中性面聯系起來,中性面上的每個點便與成型過程中不變的兩個數(X,Y)相對應。將變形區的中性面計入歐拉坐標系(x,y,z)。


  采用以下邊界條件: 成型區最左邊的橫斷面(即帶鋼的對焊邊緣)及成形區的最右邊的斷面均不受力。由于成型力垂直于成型區表面,且成型區幾何形狀不變,因此在可能發生的位移中外力所做的功等于零。這種分析方法屬于全量型能量法,不能考慮變形歷史的影響。


2. 實驗法


   研究不銹鋼焊管的成形方法有實驗研究法,對于所要求解的問題不同設置不同的實驗裝置。日本有九個工廠用厚度為1.8,2.3,2.4,3.6,3.8毫米的帶鋼焊接直徑60.5毫米的鋼管,下輥的調整分下山、上山和水平三種,并采用不同的孔型系統,不同的成型輥布置形式和不同的機架間距,由各廠分別進行試驗。通過測量和計算,求出了鋼管外表面的帶鋼變形量。


   實驗法測定中,電阻應變片法占有重要位置。浙江至德鋼業有限公司用電測法研究了成型過程中的帶鋼變形,原蘇聯還有其他國家,普遍采用電阻應變片來測量成型過程中的縱向變形。這種方法能精確地測量成型過程中的變形,具有靈敏度高、慣性小的優點。尤其是,這種方法能遠距離測量多個點的變形。這種試驗或是在工業用成型機上進行直接試驗,即實物模擬化,或建立成型過程不完整的近似物理模型。天津理工學院的溫殿英等用應變片的方法在液壓萬能試驗機上研究成型區內金屬的應變。


3. CAD法


   在科學技術日益發展的今天,計算機輔助設計可以使人們對不銹鋼焊管進行更好更全面的研究。因此,焊管的CAD成為必然。在這方面,各國學者做了很多的嘗試并取得了豐碩的成果。


   奧納.艾特.沃提出了用三次多項式表示得邊緣變形高度。日本的Hiroshi Ona通過收集幾個公司的軋輥圖和數據,并研究了管截面形狀因子和軋輥孔型之間的關系,開發了交互的計算機圖形系統,基于軋輥彎曲角調整的假設,即水平面上每一截面邊緣的軌跡可用三次曲線示出。通過這一方程形成一個簡單通道截面,將其用于管截面,這種方法屬于數據庫方法。


   德國的慕尼黑大學開發了COPRA軟件系統,該系統提供有友好界面,可用模擬技術分析和優化輥彎成形工藝。他們采用一個與實際變形非常相近的幾何形狀作為模擬的模型,為優化不同成型區域孔型的數學近似幾何模型,采用了有限元的分析計算,但該文并未涉及數學模型。美國人采用日本學者木內學的形狀函數方法并加以完善,開發了RFPSS軟件。該軟件在木內學理論膜應變的基礎上加入了彎曲校正。


4. 有限元法


  關于FEM方法,目前很多國家的學者們正在作這方面的工作,并取得了一定的進展。


  日本的小野田等人長期研究焊管成型的有限元模擬問題。他們使用剛塑性有限元分別對焊管管坯在開口孔型和閉口孔型中的變形進行研究,分別得到了管坯處于開口孔型和閉口孔型時的網格劃分及邊界條件。


 美國Roll-kraft公司的Robert.J.Harstain,英國Aston大學的M ilner以及加拿大Watertoo大學的Walker等人,他們使用商用大變形有限元軟件包對冷彎成型進行分析,并將其應用于冷彎工具的設計。


   Walker等人使用非線性有限元軟件ABAQUS對直縫焊管的成型應力,應變進行了分析,通過計算建立了預報焊管成型過程的邊緣失穩模型,并得到調整軋機參數的依據。蔡松慶等人首次嘗試用板殼彈塑性有限元法分析直縫焊管成型過程,他們將成型區中的管坯看作是由一塊平板在橫向同時逐漸彎曲的結果。從實際結果看,管坯中的應變和管坯的構形比較接近實際情況,但應力及外載與實際情況相差甚遠。


   劉才、周瑛、韓志武等用有限條法研究冷彎型鋼的成型過程,有限條法仍屬于有限元的范疇,是為了降低計算量而開發的,計算量降低了,其精度就會受到影響。在整個過程中采用了一些假設:單元的板殼劃分;忽略了坯料沿軋制方向的運動,使整個過程改變成成型輥將坯料一步一步壓下,直到成型為止;忽略了坯料內的剪應變;將坯料作為線性強化的彈塑性體,忽略了中性面的移動;忽略了接觸區以外的變形;這樣,不能真實反映物體的成型過程,僅能夠近似模擬整個變形過程。


  徐樹成通過對冷彎成型進行分析,用彈塑性大變形有限元理論進行了模擬,通過改寫EPFEP3有限元程序,并對現場進行連續輥彎的一、二次成型實驗。


  由于直縫焊管在變形理論上屬于彈塑性大變形過程,而大變形彈塑性有限元法還不完善,計算量相當大,焊管成型又是一個漫長的穩態成型過程,后期變形對前期變形具有依賴性,需一個小增量一個小增量地喂入軋輥,每喂入一次,對整個管坯的變形求解一次,直至板坯的端頭露出最后一個機架一段距離,穩態變形狀態得以建立為止。計算難度和計算量是相當大的。因此,有限元法在解決實際問題時還需進一步的研究。


  不銹鋼焊管的變形是一個復雜的變形過程,其變形的數學和力學問題還有諸多探討。目前,我們的CAD研究工作雖取得了一定的成果,但往往使用的是經驗公式,還應加強對變形規律及變形基礎理論的研究及實驗研究,賦予美麗的大廈一個牢固的根基。




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