第一章 绪论
1.1 引言
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。管坯质量直接决定了成品管的质量，管坯常见的外部缺陷有：镰刀弯、带钢扭转、波浪弯、边缘翘曲、厚度不均、毛刺和划痕等，这些缺陷都会对成形管件的质量产生不利的影响；在轧辊设计方面，焊管轧辊的设计新方法层出不穷，常见的方法有单半径弯曲法和双半径弯曲法[4]，以及排辊成形，各有其特点；在成形工艺方面，可采用上山成形法、加大管坯中部延伸、增加变形区长度、增大辊径、缩小机架间距离、调整机架速度等方法以减小缺陷发生的几率，提高焊管的质量[5]。以上工作虽然能够在一定程度上提高成品管件的质量、优化成形工艺、提升成品率；然而由于技术和成本等因素，工艺可控性、重复性以及加工效率等方面存在或多或少的问题，技术进一步提升空间有限。其实，在金属塑性成形过程中，当毛坯（管坯）、模具（轧辊）和成形工艺参数确定时，模具和毛坯接触界面的摩擦特性对毛坯发塑性变形时的应力和应变分布影响最为显著，模具与毛坯的摩擦过大或者过小都不能得到较好的成形[6-7]。相关的理论研究和工程实践均证明，模具表面不同区域与毛坯的接触和摩擦条件不同，主要包括接触压力、摩擦形式、相对运动速度、润滑状态等等均会对毛坯的成形造成不同程度的利弊影响，理论上模具与毛坯的接触表面存在最优的摩擦特性分布，能够提升模具的使用性能、提高成形件质量、改善成形工艺。因此在金属塑性成形中合理控制摩擦条件具有重要意义，而且研究表明：利用激光微织构技术在摩擦副表面制造微凹腔、微沟槽形貌能够显著改善摩擦界面的润滑减磨性能[8-10]；激光毛化技术能够显著提升金属表面的摩擦系数，同时提升表层材料的机械力学性能[11-12]。模具与毛坯及其接触界面构成了一个摩擦副系统，因此本文运用有限元方法分析直缝焊管辊弯成形中轧辊表面的摩擦特性对管坯变形过程中应力、应变分布的影响规律，揭示摩擦对焊管辊弯成形过程中缺陷的作用规律，探究轧辊表面最优的摩擦特性分布，在此基础上，利用激光微织构和激光毛化技术在焊管轧辊模具表面进行摩擦特性优化设计及制造，达到提升轧辊使用性能、提高焊管质量和、改善成形工艺的目的。
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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]。T.R.Walk 和 R.J.Pick 采用 B 样条曲面描述相邻轧辊间管坯的构形，并由此求得应变表达式[18]。国内学者花江等人首先提出了一种基于形状函数的辊弯成形过程的计算机模拟方法，得到了管坯在成形道次间的最优曲面，并研究了管坯应力、应变分布规律[19]。燕山大学的李云江等人利用有限元增量型能量法分析了工艺参数对管坯边缘应变的影响[20]。半解析法的优点是计算简单，效率高，但是管坯变形的曲面完全取决于函数，需要对边界条件和本构关系做较多的假设，计算精度不高。
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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
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
3.5 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。为了优化轧辊表面不同区域摩擦系数，在轧辊表面加工出相应的微观形貌是关键，然而轧辊与带钢接触界面的摩擦系数受到多种因素的影响，织构形貌的种类、尺寸、分布对摩擦系数的影响也十分复杂，因此现阶段微织构形貌与摩擦系数并没有建立定量的关系，但根据前期的工艺试验以及摩擦磨损试验，可以定性地对轧辊不同区域接触界面的摩擦条件进行优化。按照第三章的数值分析结果可知：增大上辊边缘的摩擦系数，减小下辊边缘的摩擦系数可以减小边缘纵向塑性变形，提高带钢变形稳定性，因此在上辊边缘区域进行激光毛化，下辊边缘区域进行激光减摩微造型。
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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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参考文献（略）