提高冷彎矩形鋼管質(zhì)量的措施

朱成松，朱少文，阮建剛，盛珍劍，閆彬彬，段軍科

（武漢鋼鐵江北集團(tuán)冷彎型鋼有限公司，湖北 武漢 430415）

隨著近幾年工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，特別是工程機(jī)械廠家裝配工藝的大幅改進(jìn)，以及自動(dòng)焊接機(jī)械手的出現(xiàn)，使得市場(chǎng)對(duì)冷彎矩形鋼管質(zhì)量的要求越來越高。提升冷彎矩形鋼管質(zhì)量到一個(gè)新的高度，去適應(yīng)市場(chǎng)要求也成為了一個(gè)新的課題［1-5］?，F(xiàn)結(jié)合冷彎矩形鋼管的幾種質(zhì)量問題，闡述生產(chǎn)中如何去提升其質(zhì)量的控制要點(diǎn)。

1 外形尺寸精度提升

冷彎矩形鋼管外形尺寸精度的提升包括對(duì)邊長(zhǎng)尺寸偏差、對(duì)角線差值、角度差值、外圓弧差值、外圓弧直線段長(zhǎng)度（C1，C2）差值等的提升，其外形尺寸精度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 26080—2010《塔機(jī)用冷彎矩形管》、YB/T 4291—2012《塔機(jī)用帶尖角冷彎矩形鋼管》、GB/T 6728—2017《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼》等）中已有明確要求［6-7］。但近幾年，隨著客戶裝配工藝的大幅改進(jìn)以及采用先進(jìn)的機(jī)械手設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)拼焊等，直接導(dǎo)致上述質(zhì)量要求已難以滿足這些客戶的實(shí)際使用要求。例如，有些客戶要求冷彎矩形鋼管邊長(zhǎng)尺寸偏差 ∧0.5%邊長(zhǎng)公稱尺寸、對(duì)角線差值≤1.5 mm、垂直角度差值≤0.5°、外圓弧偏差±1 mm、外圓弧直線段長(zhǎng)度（C1，C2）≤2倍壁厚等，這些都遠(yuǎn)超出相關(guān)國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。而造成上述精度不足的主要原因無外乎為成型工藝不合理及軋機(jī)工裝設(shè)備精度的不足，這就要求必須對(duì)生產(chǎn)成型工藝、軋機(jī)工裝設(shè)備等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.1 工藝的優(yōu)化改進(jìn)

工藝優(yōu)化的目的就是要一方面保證產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)在軋機(jī)中有足夠的穩(wěn)定性，另一方面就是要保證生產(chǎn)成型時(shí)各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)的精準(zhǔn)性?，F(xiàn)從幾個(gè)方面舉例說明。

（1）采用斜插輥工藝。采用斜插輥工藝，提高冷彎矩形鋼管最大實(shí)彎成型角度，避免空彎產(chǎn)生的外圓弧不規(guī)則、精度差問題，使成型更加穩(wěn)定。斜插輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）精成型采用箱形輥。精成型采用箱形輥時(shí)可有效保證冷彎矩形鋼管外圓弧對(duì)稱性及外形尺寸精度。箱形輥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 箱形輥結(jié)構(gòu)示意

（3）根據(jù)每次生產(chǎn)情況，總結(jié)出每架次最佳的成型參數(shù)，使成型更為精準(zhǔn)。成型分邊參數(shù)如圖3所示。

圖3 成型分邊參數(shù)示意

1.2 軋機(jī)工裝設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)

軋機(jī)工裝設(shè)備的精度是影響冷彎矩形鋼管產(chǎn)品外形尺寸精度的主要因素之一，對(duì)于老舊軋機(jī)而言就必須對(duì)相關(guān)工裝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?，F(xiàn)列舉幾種優(yōu)化改進(jìn)方案。

（1）側(cè)立輥裝配機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。未改進(jìn)前，側(cè)立輥裝配機(jī)架只是在橫向?qū)?cè)立輥進(jìn)行了約束，同時(shí)在機(jī)架上固定只采用了單排螺桿。因此，在側(cè)立輥裝配機(jī)架上增加了側(cè)立輥盒，從而對(duì)側(cè)立輥在上下方向增加了約束，同時(shí)采用雙排螺桿對(duì)機(jī)架進(jìn)行固定，大大提高了側(cè)立輥工作的穩(wěn)定性，尤其是上下跳動(dòng)大為減少，提高了冷彎矩形鋼管產(chǎn)品尺寸精度。改進(jìn)前后的側(cè)立輥裝配機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)前后的側(cè)立輥裝配機(jī)架結(jié)構(gòu)示意

（2）立輥?zhàn)Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。未改進(jìn)前的立輥?zhàn)Y(jié)構(gòu)只是對(duì)立輥進(jìn)行了縱向約束，橫向無任何約束，導(dǎo)致在生產(chǎn)中立輥受力后沿橫向發(fā)生偏移，影響了分邊尺寸，造成產(chǎn)品不能按照要求的尺寸成型，最終影響產(chǎn)品的外形尺寸精度。改進(jìn)后的立輥?zhàn)Y(jié)構(gòu)增加了立輥軸鎖緊板，對(duì)立輥軸進(jìn)行了橫向約束，使得立輥工作時(shí)更加穩(wěn)定，確保了分邊尺寸的精確；同時(shí)，增加了立輥上下高低調(diào)節(jié)功能，使得調(diào)整更加簡(jiǎn)便、快捷，提高了工作效率。改進(jìn)前后的立輥?zhàn)Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后的立輥?zhàn)Y(jié)構(gòu)示意

（3）軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。未改進(jìn)前，平輥軸端的軸承座壓下螺桿采用的是普通粗牙螺桿，而且機(jī)架橫向間距較大，兩橫向機(jī)架之間無任何約束緊固。改進(jìn)后，設(shè)計(jì)制作了精密機(jī)架，采用細(xì)牙壓下螺桿，減小了生產(chǎn)中軋輥的上下跳動(dòng)量；同時(shí)，也降低了生產(chǎn)中上下平輥因受平輥軸撓度影響而產(chǎn)生的跳動(dòng)；此外，兩橫向機(jī)架間采用拉桿進(jìn)行約束緊固，解決了因機(jī)架受力變形而影響軋制中心線的偏移問題，極大地提升了產(chǎn)品成型精度。改進(jìn)前后的軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后的軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意

2 焊接質(zhì)量的提升

2.1 原材料帶鋼的質(zhì)量提升

（1）原材料帶鋼中的非金屬夾雜物對(duì)焊接質(zhì)量影響最大，含量過高會(huì)導(dǎo)致分層缺陷。冷彎矩形鋼管的原材料帶鋼很多采用的是Q345系列，如Q345B、Q345C。在熔煉、鑄造過程中如果不采取相應(yīng)措施，很容易導(dǎo)致非金屬夾雜含量過高，特別是硫化物類及環(huán)狀氧化物類等級(jí)很容易超出3級(jí)，非金屬夾雜物含量過高就會(huì)造成分層，從而在成型焊接時(shí)無法熔透，形成裂紋。帶鋼分層導(dǎo)致的焊接裂紋如圖7所示。

圖7 帶鋼分層導(dǎo)致的焊接裂紋

（2）針對(duì)上述問題，要求原材料帶鋼廠家對(duì)熔煉、鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)，以解決帶鋼中非金屬夾雜物含量過高導(dǎo)致的分層問題。如采用控制鋼中的溶解氧，使其降低到較低水平；降低鋼水與空氣的相互作用機(jī)會(huì)和程度；減少耐火材料對(duì)鋼水的污染程度，防止渣子卷入鋼水內(nèi)部等措施。

2.2 成型焊接工藝優(yōu)化

2.2.1 高頻焊接參數(shù)優(yōu)化

高頻焊接參數(shù)一般包括焊接功率、焊接頻率、電流比、電壓比、軋制速度、焊接開口角角度等。對(duì)這些參數(shù)的優(yōu)化必須經(jīng)過多次生產(chǎn)跟蹤、調(diào)整，摸索出最佳、最合理的焊接參數(shù)值，并固化為作業(yè)文件，才能確保產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。表1列出了兩種不同厚度、材質(zhì)冷彎矩形鋼管最合理的高頻焊接參數(shù)。對(duì)于不同壁厚、材質(zhì)的產(chǎn)品，其焊接參數(shù)是完全不一樣的，需要根據(jù)高頻設(shè)備、軋機(jī)整體性能來進(jìn)行多次摸索確定。

2.2.2 高頻焊接擠壓輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

優(yōu)化擠壓輥結(jié)構(gòu)時(shí)，一方面要確保擠壓時(shí)焊縫的穩(wěn)定性，另一方面就是要保證焊接時(shí)擠壓輥便于調(diào)整。因此，上擠壓輥的傾斜角度β、尖點(diǎn)處圓弧大小R、兩上擠壓輥橫向間距距離B、兩側(cè)擠壓輥的傾斜角度α等參數(shù)的使用就顯得至關(guān)重要。實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)鋼管不同材質(zhì)、厚度及規(guī)格類別使用合適的擠壓輥參數(shù)，才能確保焊接質(zhì)量。對(duì)壁厚較大鋼管，其側(cè)擠壓輥可以設(shè)計(jì)成包弧形，避免了焊縫在焊接過程中的橫向偏移，確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。擠壓輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的使用如圖8所示。

表1 高頻焊接參數(shù)

圖8 擠壓輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的使用示意

2.3 焊接質(zhì)量的檢測(cè)方法

采用焊縫壓扁、拉伸等有損檢測(cè)方法來檢測(cè)焊縫質(zhì)量，可以對(duì)焊縫質(zhì)量有一個(gè)準(zhǔn)確、完全的判定。

2.3.1 壓扁檢測(cè)

（1）通過專用模具使焊縫受到90°或0°方向的壓力壓下，壓下到一定程度后焊縫處完好，證明焊縫質(zhì)量合格。常見的壓扁方式按照焊縫所處位置有豎壓、側(cè)壓、對(duì)角壓，壓扁方式如圖9所示。

圖9 壓扁方式示意

（2）GB/T 26080—2010中明確要求普通冷彎矩形鋼管采用圖9（a）所示的豎壓焊縫壓扁試驗(yàn)檢測(cè)焊縫質(zhì)量。帶尖角冷彎矩形鋼管焊縫質(zhì)量的檢測(cè)也可以采用圖9（c）所示的對(duì)角壓焊縫壓扁有損檢測(cè)方式進(jìn)行，具體的判定方法根據(jù)使用廠家的要求協(xié)商確定。

2.3.2 拉伸檢測(cè)

拉伸檢測(cè)就是在鋼管焊縫處取樣及制樣，制作成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，沿焊縫垂直方向拉伸，根據(jù)拉伸后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行判斷：測(cè)量值達(dá)到母材規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值視為合格，否則不合格。供需雙方也可根據(jù)自身實(shí)際情況對(duì)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行協(xié)商。

（1）普通冷彎矩形鋼管焊縫的拉伸檢測(cè)。普通冷彎矩形鋼管由于焊縫在平板部位，只需按照標(biāo)準(zhǔn)試樣制作要求取樣及制樣，然后按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)。

（2）帶尖角冷彎矩形鋼管焊縫的拉伸檢測(cè)。帶尖角冷彎矩形鋼管由于焊縫位置的特殊性，焊縫距離一邊邊緣尺寸較小，無法夾持，即無法像普通方矩形鋼管那樣進(jìn)行制樣；因此，需制作輔助件進(jìn)行輔助試驗(yàn)。帶尖角冷彎矩形鋼管焊縫拉伸試樣如圖10所示。

圖10 帶尖角冷彎矩形鋼管焊縫拉伸試樣示意

3 表面質(zhì)量的提升

冷彎矩形鋼管的生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)輥彎成型過程，生產(chǎn)中需要軋輥模具輥壓成型，循環(huán)冷卻水潤(rùn)滑冷卻，還需通過輥道送至收集鏈道，再通過鏈道傳送至收集槽進(jìn)行收集打包入庫(kù)。上述過程都有可能對(duì)冷彎矩形鋼管的表面產(chǎn)生損傷。

3.1 軋輥模具的選擇

軋輥模具的選擇使用至關(guān)重要，模具的質(zhì)量、耐磨程度、使用壽命直接影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量。軋輥模具的選擇控制主要是對(duì)材質(zhì)的合理選擇，對(duì)軋輥表面硬度、表面淬火層深度、表面粗糙度等的合理選擇使用。目前，有些廠家采用激光鍍層新技術(shù)提高了軋輥模具的耐磨性，可以較大程度地提升冷彎矩形鋼管表面質(zhì)量。

3.2 循環(huán)冷卻水的潔凈使用

循環(huán)冷卻水的潔凈與否，與冷彎矩形鋼管的表面質(zhì)量息息相關(guān)。例如，循環(huán)冷卻水出現(xiàn)鐵渣、砂粒、污泥等雜物，會(huì)在軋制過程通過模具擠壓黏附到產(chǎn)品表面，形成產(chǎn)品表面的壓傷。實(shí)際生產(chǎn)中，各生產(chǎn)廠家可以根據(jù)自身場(chǎng)地、資金情況制作適用的、帶過濾性質(zhì)的循環(huán)水池，將循環(huán)冷卻水中的雜物通過過濾系統(tǒng)過濾掉。通常情況下，若場(chǎng)地有限、資金不充足，也可以制作簡(jiǎn)單實(shí)用的三級(jí)過濾式循環(huán)水池，如圖11所示。

圖11 三級(jí)過濾式循環(huán)水池示意

3.3 輸送輥道、收集鏈道、收集槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制

輸送輥道、收集鏈道、收集槽對(duì)冷彎矩形鋼管表面質(zhì)量的影響也很重要。實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用不擦傷冷彎矩形鋼管的托輥（材質(zhì)如橡皮、膠木等），避免托輥傳送鋼管時(shí)對(duì)鋼管的擦傷。對(duì)于收集鏈道，應(yīng)避免鋼管與鏈道間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)而擦傷鋼管底部，可以在鏈道上設(shè)計(jì)加裝凸輪機(jī)構(gòu)，鏈道上鋼管收集滿后未能及時(shí)進(jìn)入收集槽時(shí)讓凸輪機(jī)構(gòu)抬起鋼管，與鏈道分離，使用時(shí)再放下凸輪機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)送鋼管，可以很好地解決鋼管底部劃傷問題。