1.1 引言
随着我国西气东输工程、电网、水利工程的建设，我国焊接钢管产量近年来增长迅猛，2011 年我国累计生产焊接钢管 4048 万吨，同比增长 25%，2012 年产量迅猛增涨至 4700 万吨以上，我国焊接钢管产量居世界前列[1]。2015 年以来，我国钢管产量增长速度已经超过了产量速度增长，但无缝钢管和焊接钢管的比重出现了明显的差异，无缝钢管产量呈现逐渐下降的趋势，而焊接钢管产量开始大幅度增长 [2]。我国焊接钢管制造企业约有 2000 多家，行业整体集中度低，形成以石油石化、冶金系统及钢铁制造企业下属的国有企业与后发民营企业、外资企业并存的竞争格局。焊管被广泛应用于国名经济各部门，工业、农业、商业、国防、建筑业、民用，甚至体育、医药卫生等各方面都离不开焊管，焊管行业和其他行业一样面临着经济全球化带来的市场竞争压力，总体来看，我国焊接钢管行业的生产企业众多，产品同质化严重，大型跨国企业加速进入中国市场竞争，市场竞争较为激烈。尤其在高端产品市场，我国焊接钢管企业与跨国企业还存在一定差距，而国内大部分企业主要在中低端市场进行竞争。从表 1.1 可以看出我国钢管行业的不足以及亟待解决的问题，提高钢管的生产质量成为当今研究的重要课题之一。 直缝焊管辊弯成形过程属于多因素非线性耦合物理问题，带钢在高压强以及交变载荷等恶劣工况下发生大面积的金属流动和塑性变形，在成形过程中存在诸多缺陷，例如错位、扭转、鼓包[3]、压痕、划伤等等，针对上述在生产加工中可能出现的问题，目前，国内外研究人员主要从管坯质量、轧辊设计、成形工艺等多方面进行研究，以控制或消除上述问题。
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1.2 课题国内外研究现状
本文主要以焊管的辊弯成形过程为研究对象，以管坯边缘的纵向塑性变形量为优化目标，探究轧辊与管坯接触界面的摩擦系数优化组合，利用激光复合织构技术实现轧辊表面微观形貌的主动设计制造，从而减少塑性成形过程中的“鼓包”现象。本章从下面三个方面分析国内外的研究进展。随着焊管需求量的逐年增多，焊管的辊弯成形工艺逐渐受到人们的关注，焊管辊弯成形过程中，带钢在轧辊的作用下发生连续的弯曲变形，该过程包含了复杂的接触和弹塑性变形问题。国内外研究学者对辊弯成形理论进行了多方面的研究。目前，辊弯成型的理论分析方法主要有：半解析法、有限条法以及有限元法。 半解析法的主旨是通过函数来描述管坯在轧辊间的变形，使管坯在轧辊间的变形能达到最小值，反求函数的参数，然后计算管坯的变形和应力、应变分布。 1962 年，古恩等人提出了能量法求解管坯变形状态，并且利用该方法分析了角钢的弯曲变形过程[13]。日本学者木内学教授开拓性地利用半解析法对管坯变形过程的应力、应变进行分析，利用一个三角函数描述管坯变形的曲面，基于能量最小原理反求该三角函数，再根据三角函数计算带钢的应力、应变[14]。G.Nefussi等人利用孔斯曲面片来描述管坯构型，对塑性功率取极小值，求得孔斯曲面片的待定系数，并且引入了 Mises 屈服准则[15]。B.Bhattacharyya 等人研究了槽型件的辊弯成形过程，假设槽型件侧壁始终保持直线状态，用轧辊的弯曲角来表示管坯变形后的形状，然后根据变形能最小原理计算变形区长度[16]。N.Duggal 等人采用三角函数描述轧辊间管坯的构形，利用有限差分法计算变形能，根据变形能最小原理求解待定系数[17]。
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第二章 焊管轧辊激光复合织构理论分析
2.1 引言
理论分析是板料成形研究中不可缺少的重要方法，虽然不能对辊弯成形过程中带钢的变形情况进行精确地分析，但是对带钢成形机理以及变形特点的分析有利于对成形缺陷的预测和成形件的质量控制，对于研究激光复合织构技术在轧辊上的应用具有重要意义。焊管的种类繁多，成形方式方法众多，UOE 高频直缝焊管是最常见的一种，图 2.1 和图 2.2 分别是辊弯成形示意图和辊弯成形装置。
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2.2 焊管辊弯成形机理
通过辊弯成形工艺可以制备不同截面形状、尺寸的冷弯成形型材，而直缝焊管是辊弯成形中最普遍、最典型的一种，本节将分析其成形机理，为后续的研究建立理论基础。目前，学术界通过大量的理论和试验研究，针对圆管辊弯成形过程，形成了很多比较成熟的理论。现有的圆管辊弯成形过程归结如下：辊弯成形过程中，管坯在轧辊的外力约束下，依次通过在成形方向上的轧辊组，由平面逐步变形成所需的圆形截面，再通过焊接工艺将焊缝焊接，最终形成管状型材。 管坯在辊弯成形过程中会发生多种不同形式的弹塑性变形，主要存在三种变形：横向变形，纵向变形，厚向变形。从其成形结果来看，管坯必定发生了横向弯曲变形以及厚向变形，从其成形过程来看，管坯边缘在成形过程中其长度会大于中心的长度，成形结束时，恢复到与中心同样的长度，因此管坯边缘承受了纵向的拉伸和压缩变形。横向变形主要与带钢横向的曲率半径和板材厚度相关，当焊管截面尺寸以及每个道次分配角确定时，横向变形就可以确定，而带钢的纵向变形与多种因素相关，如带钢尺寸，带钢材料，辊弯速度，道次角，温度等等，这些因素的不合理设置都会导致带钢边缘发生严重的纵向塑性变形，导致带钢失稳。
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第三章 轧辊表面摩擦系数对焊管辊弯成形影响的数值模拟........ 25
3.1 引言 ...... 25
3.2 ABAQUS 有限元软件简介 ..... 25
3.3 轧辊表面摩擦对焊管成形影响的数值模拟 ...... 27
3.4 轧辊表面摩擦特性优化设计 ....... 36
3.5 本章小节 ....... 43
第四章 轧辊模具钢激光复合织构工艺试验.... 44
4.1 引言 ....... 44
4.2 轧辊模具钢激光毛化工艺试验 .......... 44
4.3 轧辊模具钢激光微造型工艺试验 ....... 51
4.4 本章小结 ...... 54
第五章 激光复合织构焊管轧辊成形性能对比试验........ 55
5.1 引言 ...... 55
5.2 试验目的 ....... 55
5.3 试验设备及检测仪器 ........... 55
5.4 试验方案 ....... 56
5.5 试验过程 ....... 60
5.6 试验结果与分析 ........... 62
5.7 本章小结 ....... 66
第五章 激光复合织构焊管轧辊成形性能对比试验
5.1 引言
第三章对焊管辊弯成形过程中摩擦行为的研究，获得了轧辊表面最优的摩擦系数组合，优化了轧辊的摩擦特性。本章利用激光复合织构技术在轧辊表面不同区域加工相应的织构形貌，定性地对不同区域接触界面的摩擦条件进行优化。通过焊管辊弯成形对比试验，验证激光复合织构应用于轧辊的技术效果。
5.2 试验目的
（1）根据数值模拟获得轧辊表面最优的摩擦系数优化方案，对焊管轧辊表面实施激光复合织构，达到主动优化轧辊表面摩擦特性的目的。
（2）进行辊弯成形对比试验，比较轧辊激光复合织构前后成形以及使用性能，检验轧辊激光复合织构的技术效果，同时也对数值模拟的结果进行验证。
总结
板料成形过程中，板料与模具及界面组成的摩擦副的摩擦行为对模具的成形性能具有重要影响。轧辊表面不同区域的摩擦对成形的影响各不相同，轧辊表面存在最优的摩擦特性分布，能够使摩擦条件有利于带钢成形，提高成形件的质量。 本文以焊管轧辊为研究对象，分析了带钢与轧辊表面不同接触区域的摩擦对带钢变形的影响规律。在此基础上，通过激光复合织构技术在轧辊表面不同区域进行微织构主动设计制造，降低了成形过程中带钢边缘纵向塑性应变，提高带钢边缘变形稳定性以及带钢成形后边缘直线度，减小了成形“鼓包“几率。为了达到上述目标，本文主要开展了如下研究：
（1）对焊管的辊弯成形过程进行了理论分析，分析了焊管辊弯成形过程中带钢的变形以及摩擦力分布特点，讨论了辊弯成形中的摩擦和润滑机理，提出了轧辊表面摩擦特性区域性观点，探讨了激光复合技术的表面改性机理，阐述了激光毛化增摩耐磨原理和激光减摩微造型的润滑减摩原理。
（2）利用 ABAQUS 对焊管的辊弯成形过程进行了模拟仿真，揭示了轧辊表面不同区域的摩擦对带钢变形的影响规律，针对带钢边缘纵向变形过大引起的“褶皱”缺陷，以带钢边缘单元等效塑性应变量为优化对象，利用响应曲面法建立边缘等效塑性应变回归方程。据此，对轧辊表面不同区域摩擦系数进行了优化设计，获得了优化的摩擦系数组合。模拟结果表明边缘等效塑性应变得以降低，验证了轧辊表面摩擦对成形的影响具有区域性，验证了在轧辊表面进行激光复合织构来控制带钢边缘纵向塑性应变的可行性。
（3）本文利用长脉宽光纤激光系统在轧辊材料上进行了激光复合织构工艺探究研究。通过激光毛化工艺试验，揭示了激光功率和脉宽对毛化形貌尺寸的影响规律，此外，对毛化点材料的硬度和耐磨性进行了验证，结果表明毛化点区域材料的硬度和耐磨性均显著提高。通过激光微造型工艺试验揭示了激光脉宽和功率两个工艺参数对凹腔直径和深度的影响规律，并在此基础上确定了优化的工艺参数范围。
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参
