三層對稱雙金屬復(fù)合板縱向變厚度軋制過程數(shù)值模擬研究

孫靜娜，張彩云，陳馳，黃華貴

（燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004）

三層對稱雙金屬復(fù)合板縱向變厚度軋制過程數(shù)值模擬研究

孫靜娜，張彩云，陳馳，黃華貴

（燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島066004）

雙金屬變厚度復(fù)合板是以雙金屬層狀復(fù)合板為原料，通過縱向變厚度軋制成形的一種新型結(jié)構(gòu)材料。由于雙金屬復(fù)合板基體與覆層金屬力學(xué)性能存在差異，異質(zhì)組元金屬在變形區(qū)內(nèi)流動規(guī)律及界面變形不協(xié)調(diào)，復(fù)合界面容易發(fā)生撕裂分離和軋后翹曲等問題。本文利用有限元法模擬分析了不銹鋼-碳鋼復(fù)合板縱向變厚度軋制過程，重點分析軋制過程中變形區(qū)中性角、壓下率分配、軋制力能參數(shù)及金屬界面的力學(xué)行為，為CLP板軋制工藝規(guī)程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

雙金屬復(fù)合板；變厚度軋制；有限元模擬

雙金屬變厚度復(fù)合板材（Cladded longitude profile plate，CLP）是以雙金屬層狀復(fù)合板為原料，采用縱向變厚度軋制技術(shù)成形的一種資源節(jié)約型新材料，在保持傳統(tǒng)單金屬變厚度板材節(jié)能減重優(yōu)點基礎(chǔ)上，可根據(jù)環(huán)境使用要求選擇合適的覆層金屬材料，以滿足耐磨性、防腐蝕、耐高溫等特殊功能化要求，實現(xiàn)輕量化與功能化、低成本與高性能的完美結(jié)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圍繞單金屬板帶變厚度軋制，國內(nèi)外開展了大量研究。西歐和日本等國家在上世紀80～90年代開始利用變厚度軋制技術(shù)生產(chǎn)LP和TRB鋼板，并對其成形工藝性能進行了研究，目前已廣泛應(yīng)用于汽車、橋梁及造船等領(lǐng)域［1-3］。國內(nèi)東北大學(xué)劉相華教授課題組針對變厚度軋制過程開展了大量相關(guān)理論研究，建立了變厚度軋制過程力平衡微分方程（VGR-F）和質(zhì)量守恒定律（VGR-S），導(dǎo)出了變形區(qū)軋件水平速度、中性點、軋制壓力及軋制力矩等力能參數(shù)計算表達式，建立了縱向變厚度基本軋制理論［4-6］。在變厚度軋制過程輥縫設(shè)定及控制系統(tǒng)方面，文獻［7-8］提出采用離散化、多點動態(tài)設(shè)定方法，通過厚度誤差控制來確定變厚度區(qū)設(shè)定點的位置，建立了變厚度輥縫設(shè)定模型，并在常規(guī)AGC基礎(chǔ)上開發(fā)了變厚度軋制輥縫閉環(huán)控制系統(tǒng)。2013年，上海汽車集團召開了“連續(xù)差厚板自主技術(shù)國內(nèi)首次成功量產(chǎn)應(yīng)用總結(jié)會”，2016年鞍鋼縱向變厚度鋼板批量供貨標志著我國變厚度軋制技術(shù)已經(jīng)由實驗室進入大生產(chǎn)［9-18］。隨著單金屬板變厚度軋制技術(shù)的日趨成熟以及工業(yè)領(lǐng)域?qū)δ芑?、輕量化CLP板需求的提出，針對雙金屬層狀復(fù)合板縱向變厚度軋制理論與工業(yè)實踐的探索將變得尤為迫切和值得期待。

與單質(zhì)金屬變厚度軋制技術(shù)相比，雙金屬復(fù)合板縱向變厚度軋制過程中變形區(qū)內(nèi)金屬受力狀態(tài)、變形及流動規(guī)律更為復(fù)雜。由于基層與覆層組元金屬力學(xué)性能存在差異，異質(zhì)組元金屬在變形區(qū)內(nèi)流動規(guī)律及界面變形不協(xié)調(diào)，復(fù)合界面容易發(fā)生撕裂分離和軋后翹曲等問題，導(dǎo)致雙金屬復(fù)合板變厚度軋制工藝難度增加。本文基于deform有限元軟件模擬了三層對稱不銹鋼-碳鋼復(fù)合板變厚度軋制過程，研究了變形區(qū)內(nèi)組元金屬受力狀態(tài)及變形規(guī)律，分析了不同變厚度軋制工藝參數(shù)對變形區(qū)內(nèi)中性角、組元金屬壓下率分配、軋制力能參數(shù)及復(fù)合界面剪切應(yīng)力的影響規(guī)律，為CLP板變厚度軋制過程異質(zhì)金屬變形優(yōu)化控制及軋制工藝開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 CLP板軋制工藝

變厚度軋制是近年來發(fā)展起來的輕量化成形新技術(shù)，通過在軋制過程中動態(tài)調(diào)節(jié)軋輥輥縫，來獲取縱向厚度按照預(yù)期變化的變厚度板材。雙金屬變厚度復(fù)合板雙金屬復(fù)合板的覆層和基層主要有對稱和非對稱兩種布置形式。由于異質(zhì)組元金屬變形不協(xié)調(diào)，非對稱復(fù)合板縱向變厚度軋制成形需要將異步軋制技術(shù)與變厚度軋制技術(shù)相結(jié)合，而三層對稱復(fù)合板變厚度軋制由于結(jié)構(gòu)的對稱性，與非對稱復(fù)合板相比相對簡單，如圖1所示。為揭示雙金屬復(fù)合板變厚度軋制過程中金屬流動規(guī)律及界面力學(xué)行為，本文以三層對稱雙金屬復(fù)合板為研究對象，研究不同工藝參數(shù)對其變厚度軋制界面協(xié)調(diào)性的影響規(guī)律。

2 CLP板軋制有限元建模

本文以304不銹鋼和Q235碳鋼復(fù)合板為研究對象，使用DEFORM分析軟件進行有限元模擬。有限元分析中，材料的流變應(yīng)力曲線和其相關(guān)的熱物性參數(shù)對模擬結(jié)果影響重大，本文采用相關(guān)文獻測得的材料真實流變應(yīng)力曲線、熱導(dǎo)率、楊氏模量及比熱等熱物性參數(shù)保證有限元模擬結(jié)果的準確性［19］。軋制模擬的基本參數(shù)：上軋輥直徑320 mm，下軋輥直徑320 mm，上軋輥轉(zhuǎn)速0.125 rad/s，下軋輥轉(zhuǎn)速0.125 rad/s，軋件厚度14 mm，軋件上覆層材料為304不銹鋼，軋件中間層材料為Q235，軋件下覆層材料為304不銹鋼。

由于在板帶軋制問題中板帶寬度方向的尺寸遠大于其厚度，軋制問題可以簡化為二維平面應(yīng)變問題。且研究對象為三層對稱結(jié)構(gòu)，故有限元分析建立1/2簡化模型。軋輥采用剛性軋輥，軋件為塑性體，建模如圖2所示，其中，軋制速度為V，上輥的壓下速度為Vy，304不銹鋼層的厚度為h1，Q235層厚度為h2。

由于組元金屬力學(xué)性能差異和變厚度軋制過程的特殊性，本文根據(jù)單一變量原則分別分析包括各組元金屬層厚比、軋輥壓下速度及摩擦系數(shù)在內(nèi)的各軋制工藝參數(shù)對軋制過程的影響規(guī)律。模型的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 雙金屬復(fù)合板變厚度軋制模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of CLP plate rolling

圖2 復(fù)合板變厚度軋制有限元模型Fig.2 Finite element model of CLP plate rolling

表1 模型參數(shù)Tab.1 Parameters of FEM model

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 變厚度軋制的中性角的變化規(guī)律

如圖3所示，采取單變量分析原則，依次分析了復(fù)合材料層厚比、軋輥軋件間接觸摩擦系數(shù)和軋輥垂直移動速度對中性角的影響規(guī)律曲線，詳細參數(shù)見表1。由圖可知，隨著軋制時間的增加，板坯變形量Δh不斷加大，從而變形區(qū)中性角γ不斷增大。

圖3 工藝參數(shù)對中性角的影響Fig.3 Influence of rolling parameters to neutral angle

在其它復(fù)合板板坯軋制參數(shù)相同的條件下，軋輥壓下速度Vy一致得同一時刻的總壓下量Δh相同，即相同板坯厚度條件下，壓下量相同時，304不銹鋼層厚度h1越小，中性角γ越大；且由曲線的斜率可得304不銹鋼層厚度對中性角的變化率影響不大，如圖3a所示。在其他軋制條件相同的情況下，同一時刻即相同壓下量Δh下，變形區(qū)中性角隨軋件與軋輥間摩擦系數(shù)μ增大而增大；且由曲線的斜率可以看出摩擦系數(shù)μ越大，中性角γ增大的越快，即γ變化率越大（如圖3b）；變厚度軋制初始階段軋輥的壓下速度Vy對變形區(qū)中性角γ影響不明顯，隨著軋件變形量Δh的不斷增加，軋輥壓下速度Vy越大則相同時刻軋件變形量Δh就越大，對應(yīng)的變形區(qū)中性角γ就越大，如圖3c所示。

圖4 不同工藝參數(shù)下304不銹鋼在壓下量占比的變化Fig.4 Rolling reduction percentage of 304 stainless steel under different parameters

3.2 軋制壓下量與軋件變形分配的關(guān)系

如圖4所示，采取單變量分析原則，依次分析了不同壓下量下304不銹鋼在壓下量中占比的變化曲線，詳細參數(shù)見表1。從圖中曲線的斜率可知，隨著總壓下量Δh的不斷增大，雙金屬復(fù)合板中304不銹鋼層分配的壓下量Δh1占總壓下量的比率基本不變。

如圖4所示，相同的復(fù)合板板坯厚度條件下，304不銹鋼層越厚即h1越大，其分配的壓下量占比就越大。而相同的工藝參數(shù)條件下，摩擦系數(shù)和軋輥的壓下速度對總壓下量Δh在各組元金屬中的分配量影響不大。

3.3 軋制參數(shù)與軋制力的關(guān)系

如圖5所示，采取單變量分析原則，分別給出了不同軋制工藝參數(shù)對軋制力變化的影響，詳細參數(shù)見表1。從圖中可知，隨著軋制時間的增加，由于壓下量Δh不斷增大，軋制力F不斷增大，且由于軋輥壓下速度Vy恒定，軋制力F呈線性變化趨勢。

在相同的復(fù)合板板坯厚度條件下，同一時刻壓下量Δh相同，304不銹鋼層厚度h1越大，軋制力F越大，且由軋制力曲線斜率可知304不銹鋼層較厚時軋制力F隨時間的增幅較大，如圖5a。在其他軋制條件相同的情況下，隨著軋輥和雙金屬復(fù)合板板坯間摩擦力μ的增大，軋制力不斷增大且μ較大時軋制力F增幅大，如圖5b。隨著軋輥的壓下速度Vy增大，軋制力F增大，且由軋制力曲線斜率可知軋輥壓下速度Vy較小時，軋制力隨軋制時間的增長速率較慢；軋輥壓下速度Vy較大時，軋制力F的增長速率較快，如圖5c。

3.4 組元金屬界面力學(xué)行為

如圖6所示，采取單變量分析原則，分別給出了不同參數(shù)下復(fù)合板界面最大切應(yīng)力的變化規(guī)律，詳細參數(shù)見表1。由圖6可知，趨厚軋制過程，由于壓下量不斷增大，軋制力不斷增大，雙金屬復(fù)合板組員金屬復(fù)合界面剪切應(yīng)力τxy不斷增大。

在相同的復(fù)合板板坯厚度條件下，304不銹鋼層厚度h1越大，軋制過程中組元金屬結(jié)合界面受到的剪切應(yīng)力τxy就越大，如圖6a。在其他軋制條件相同的情況下，隨著軋輥和雙金屬復(fù)合板板坯間摩擦力μ的增大，復(fù)合板結(jié)合界面剪切應(yīng)力τxy增大，如圖6b。在軋輥不同的壓下速度條件下，壓下量不大時壓下速度對組元金屬結(jié)合界面間的剪切應(yīng)力影響不大，當壓下量增大的一定程度后軋輥壓下速度較大時剪切應(yīng)力相對較大，如圖6c。

圖5 不同參數(shù)下軋制力的變化Fig.5 Rolling force of different rolling parameters

圖6 不同參數(shù)下復(fù)合板界面最大切應(yīng)力的變化Fig.6 Maximum shearing stress at bonding interface under different rolling parameters

4 結(jié)論

（1）不銹鋼/碳鋼三層復(fù)合板變厚度軋制過程中，組元金屬層厚比對變形區(qū)中性角、各組元金屬的壓下量分配、軋制力及金屬結(jié)合界面剪切應(yīng)力影響較大。304不銹鋼層厚度越大，中性角越小，但304不銹鋼壓下量占比、軋制力及金屬結(jié)合界面剪切應(yīng)力越大。

（2）軋輥與復(fù)合板間的摩擦系數(shù)主要影響變形區(qū)中性角、軋制力和金屬結(jié)合界面的剪切應(yīng)力，且呈現(xiàn)出正相關(guān)性。軋輥壓下速度在低壓下量時主要影響軋制力的大小，且呈現(xiàn)正相關(guān)性；但當壓下量增大到一定程度，軋輥壓下速度增大會因中性角及界面剪切應(yīng)力的增大而引起界面破壞。

（3）組元金屬結(jié)合界面剪切力在軋制過程中不斷增大，一定程度以后極易造成結(jié)合界面撕裂，因此應(yīng)控制組元金屬層厚比、摩擦系數(shù)及軋輥的豎直壓下速度。

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Numerical simulation of variable gauge rolling process of three layers symmetric double metal composite plate

SUN Jingna，ZHANG Caiyun，CHEN Chi，HUANG Huagui
（National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

Cladded longitude profile plate(CLP Plate)is a new type of structural material fabricated by using cladded plates as incoming material through longitude variable gauge rolling technology.Due to the difference of deformation resistance and longitudinal extension between metal components of cladded plates，warping and separating of bonded interface are easily caused in the rolling process.In this paper，the finite element model of 304/Q235 composite plate longitude variable gauge rolling process were developed to study the neutral angle，the reduction rates，the rolling forces and the mechanical behavior at the bond interface during the rolling process and provide the theory of CLP plate rolling procedure.

cladded plate；variable gauge rolling；finite element simulation

September 23，2016）

TG331

A

1674-1048（2017）02-0091-07

10.13988/j.ustl.2017.02.003

2016-09-23。

國家自然科學(xué)基金資助項目（51674222，51474189）。

孫靜娜（1980—），女，河北保定人，副教授。