韓 飛，張 濤

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

中厚壁方管冷彎成型效應(yīng)研究

韓 飛，張 濤

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

為了研究冷彎成型效應(yīng)對中厚壁冷彎方管的影響，以材料等級Q235和Q345、厚度4～8 mm、截面尺寸60 mm×60 mm～150 mm×150 mm的方管為研究對象，進(jìn)行材料性能試驗，得到方管的強(qiáng)度提高值和強(qiáng)屈比，分析成型工藝、板料厚度和截面尺寸等因素對冷彎方管的影響。結(jié)果表明，圓角和平板部位強(qiáng)度均有提高，但圓角強(qiáng)度提高值更大，這與圓角部位變形量較大有關(guān)；焊縫處經(jīng)過高溫變形，相對于對面和兩側(cè)平板強(qiáng)度值均更大一些；而且，平板強(qiáng)屈比波動區(qū)間較大，與圓角相比，其數(shù)值的離散性更大；方管同一截面上平板部位強(qiáng)屈比大于圓角部位，兩者數(shù)值呈負(fù)相關(guān)。

方管；冷彎效應(yīng)；強(qiáng)度；強(qiáng)屈比；成型工藝

冷彎型鋼因其自身質(zhì)量輕、截面經(jīng)濟(jì)合理、尺寸精度高、表面光潔而成為一種新型高效、節(jié)能環(huán)保材料，被廣泛應(yīng)用于公路護(hù)欄、建筑鋼結(jié)構(gòu)、汽車、集裝箱、腳手架、橋梁、輸電鐵塔等行業(yè)中[1-4]。

在冷彎成型過程中，由于冷加工的作用使型鋼的力學(xué)性能發(fā)生變化，型鋼材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度得到提高，而材料的延伸率降低，因此稱這種現(xiàn)象為冷彎效應(yīng)[5]。對于冷彎方管來說，經(jīng)過冷彎成型后，材料的力學(xué)性能相對于母材都有很大的變化[6]。圓角處材料的強(qiáng)度值高于平板處材料的強(qiáng)度值[7-8]，而且變化程度與型鋼材料本身的厚度有一定的關(guān)系。

冷彎成型使方管截面強(qiáng)度顯著提高，方管設(shè)計中合理地考慮強(qiáng)度的提高，將會減少材料使用量，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。本研究以材料等級Q235和Q345、厚度4～8 mm、截面尺寸60 mm×60 mm～150 mm×150 mm的方管為研究對象進(jìn)行拉伸試驗[9]，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到方管平板和圓角部位以及焊縫部位屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度[10]和強(qiáng)屈比的變化規(guī)律。同時，還將研究方管成型工藝、板料厚度和截面尺寸對冷彎成型方管強(qiáng)度提高值以及強(qiáng)屈比的影響。

1 冷彎方管材性試驗材料

目前，方管采用輥式連續(xù)成型的工藝方式有兩種：①“圓成方”工藝，用焊管機(jī)組將帶鋼成型、焊接成圓管后，再通過整形機(jī)組定型為方管；②“直接成方”工藝，將帶鋼直接彎曲成型為方管管坯，然后進(jìn)行對縫焊接和整型。本試驗使用的冷彎方管其材料強(qiáng)度、截面尺寸、板料厚度、成型工藝等方面均不相同，因而這些材料有充分的代表性。所有進(jìn)行材性試驗方管的具體參數(shù)見表1。

表1 材性試驗截面及試樣類別

為了降低材性試驗的誤差，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種型號方管均取A管和B管兩根，同型號方管之間以及方管同部位之間均形成對照關(guān)系。

圖1 試樣取樣位置及標(biāo)號

材性試驗試樣在方管截面上相對位置如圖1所示。試樣一部分為母材上截取的平板試樣，另一部分取自于“直接成方”和“圓成方”兩種工藝成型的冷彎方管，分別為平板試樣（標(biāo)號F）、圓角試樣(標(biāo)號C)和焊縫處平板試樣（標(biāo)號W），這些試樣均是沿著方管長度方向選取。

2 試驗方案和過程

根據(jù)試驗需求，試驗中選用最大承載力為10 t、型號為STM E45.105－B的拉伸機(jī)，結(jié)合非接觸應(yīng)變測量系統(tǒng)（ARAMIS－3D 5M）完成拉伸試驗，試驗平臺如圖2所示。試驗前，以試樣中間位置為參考，在試樣平行段用不銹鋼錐標(biāo)記標(biāo)距段位置。

圖2 試驗平臺

為了使拉伸試樣鉛直、有效避免剪切現(xiàn)象發(fā)生，在進(jìn)行拉伸試驗時需要使用針對試樣設(shè)計的平板夾具和圓角夾具。對于平板試樣而言，試驗發(fā)現(xiàn)所有平板試樣都經(jīng)歷了彈性變形、屈服、頸縮、斷裂4個階段，斷裂時狀態(tài)如圖3（a）所示。而圓角試樣有彈性變形、頸縮、斷裂3個階段，而沒有明顯的屈服階段。所有試樣都在平行段內(nèi)斷裂，但少數(shù)試樣由于加工問題導(dǎo)致斷裂位置在標(biāo)距段外側(cè)，試樣斷口位置如圖3（b）所示。

由于截面形狀和加工誤差等原因，試驗中采用稱重法測量圓角試樣標(biāo)距段截面積。具體做法為：在圓角試樣標(biāo)距段截取長度為5 mm的小樣，用托盤天平稱重，然后，根據(jù)質(zhì)量與密度公式m=ρV及幾何關(guān)系計算圓角試樣標(biāo)距段截面積。

圖3 平板試樣斷裂情況

3 試驗結(jié)果與分析

試驗前需要對試樣表面用酒精進(jìn)行除污處理。試樣經(jīng)過除污處理之后，需要用黑白兩種專用油漆對試樣表面進(jìn)行噴斑，保證儀器采集的試驗數(shù)據(jù)真實可靠。拉伸試驗結(jié)束后，根據(jù)試驗結(jié)果計算出方管各性能參數(shù)，具體結(jié)果見表2。7#方管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都大于1#方管，說明方管截面各部位的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受截面尺寸影響，當(dāng)截面尺寸越小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度就越大。這是因為方管截面尺寸越小，方管平板處和圓角處在冷加工過程中變形量越大，受冷彎效應(yīng)影響越大，故強(qiáng)度增加越多。

表2 方管各部位材料性能參數(shù)比較

4 結(jié) 論

（1）圓角部位屈服強(qiáng)度相對于平板部位的提高系數(shù)均大于平板部位屈服強(qiáng)度相對于母材的提高系數(shù)，兩者呈負(fù)相關(guān)；圓角部位抗拉強(qiáng)度相對于平板部位的提高系數(shù)也均大于平板部位抗拉強(qiáng)度相對于母材的提高系數(shù)，但兩者不存在明顯的線性幾何關(guān)系，說明材料在塑性強(qiáng)化階段變形更加復(fù)雜，可能需要考慮多種因素對變形的影響。

（2）平板強(qiáng)屈比波動區(qū)間較大，與圓角強(qiáng)屈比相比，其數(shù)值離散性更大，而且，同一截面上平板部位強(qiáng)屈比大于圓角部位，兩者呈負(fù)相關(guān)。

（3）“圓成方”方管各部位的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于“直接成方”方管，并且，“直接成方”方管平板屈服強(qiáng)度相對于母材提高值較小，“圓成方”方管平板屈服強(qiáng)度相對于母材提高值較大，特別是焊縫對邊提高值最大。

（4）當(dāng)方管的材料等級和截面尺寸等因素相同時，方管厚度越大，方管的圓角相對于平板屈服強(qiáng)度提高值與抗拉強(qiáng)度提高值越大。而且可以看到方管平板處和圓角處的強(qiáng)屈比基本相同，說明冷加工過程中，雖然平板和圓角都會產(chǎn)生不同程度的冷彎效應(yīng)，但是厚度對方管各部位的強(qiáng)屈比基本沒有影響。

（5）方管截面各部位的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受截面尺寸影響，當(dāng)截面尺寸越小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度就越大。

本研究采用的方管均由上海佳冷型鋼有限公司提供，特此感謝。

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Experimental Investigation on Cold-forming Effect of Middle Thick-walled Square Tube

HAN Fei，ZHANG Tao
（College of Mechanical and Material Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

To study the cold-forming effect on cold-formed middle thick-walled square tube，the performance test of material was conducted on steel grade Q235 and Q345,thickness of 4～8 mm and cross-sectional dimensions of 60 mm×60 mm～150 mm×150 mm square tube,the strength increased value and yield ratio were increased.The effect on cold-formed square tube was analyzed from forming process,sheet thickness and cross-sectional size and other factors.The results showed that the strength of both rounded corners and flat parts were improved.However,because of the large deformation，the increasing value of rounded corners is more.Compared with rounded corners，the fluctuation range of flat parts is large,and the numerical discreteness is larger.The yield ratio of flat parts is higher than that of rounded corners on the same cross-section of square tube,two values present negative correlation.

square tube;cold-bending effect;strength;yield strength;forming process

TG113

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.014

韓 飛（1977—），男，教授，主要從事材料成形過程多尺度宏微觀變形機(jī)理研究工作。

2016-06-03

李紅麗