随着中国钛工业的迅速崛起，钛及钛合金材料在海洋船舶、油气工程、电站等民用领域应用越来越多。钛及其合金由于具备重量轻、强度高、耐腐蚀、耐热性能好、可靠性强等特点，因此特别适合应用在高强、耐腐蚀环境中，如海水淡化、石油天然气集输管道等。

 

目前，大口径钛管主要以无缝管为主，但受钛无缝管加工工序多、生产周期长、效率低、成本高等因素的制约， 使得其应用受到限制。而钛焊管生产效率和成材率高，且钛焊管胀管、弯曲等性能与无缝管相近，因此国内外钛焊管的用量在逐年增加。我国目前已经具备了小口径薄壁钛焊管的生产能力，且工艺比较成熟。但对于直径大于 50mm、壁径比小于 2%的钛焊管，国内的相关研究还相对较少。目前，钛焊管主要以直焊缝焊管生产为主，通常是将裁切好的钛板卷经多道次辊弯成型，再经连续焊接得到。

 

近年来，随着计算机以及有限元技术的快速发展，越来越多的工程问题已经开始借助有限元方法进行处理。有限元结构分析技术已经发展的很完善，数值成形优化技术也得到很大发展。国内外许多高校以及相关企业对辊弯成形技术进行了大量研究[4]。王仕杰等利用 Marc 软件对 ERW 直缝焊管的排辊成型过程进行模拟，获得了成型管坯形状；徐兴平等用 ANSYS 软件对 ERW 焊管成型建模，分析了材料在辊弯成型过程中的节点应力、节点应变等数据；Walker、G.Palumbo 等使用非线性有限元软件 ABAQUS 对直缝焊管的成型应力应变进行了分析, 通过计算建立了预报焊管成型过程的边缘失稳模型, 并得到调整轧机参数的依据。

 

从上述内容可知，目前关于焊管的成型研究主要集中在钢铁材料、辊弯成型工艺过程设计、回弹机理方面的研究，对于大口径钛及钛合金材料、辊弯成形数值建模方法以及辊弯工艺优化方面的研究相对较少。

 

本文以某海水淡化用钛焊管为例，借助有限元仿真软件 Abaqus/Explicit 研究了钛焊管辊弯成形数值建模方法并对成型工艺进行优化，结合辊弯成型试验对仿真结果进行了验证。

 

1 有限元模型的建立

某海水淡化用钛焊管结构，如图 1 所示。采用多道次辊弯成形技术对该焊管进行辊弯成形，辊弯机组包括 7 套成型机架和 3 套定径整形机架，成型变形过程主要由成型机架完成，定径整形机架起矫直稳型作用。

 

 

图1. 钛焊管示意图

 

几何模型

有限元模型按实际生产物理模型进行建模，物理模型通常比较复杂，如图 2 所示，包括各种机架支撑结构件、紧固件、传动系统、控制系统、轧辊等。相对于物理模型而言，有限元模型应做简化处理，模型中只需要给定和板坯成型相关的部件即可。

 

 

 

 

图2. 辊弯物理模型

 

如图 3 所示，采用 Abaqus 前处理模块建立钛焊管辊弯成形仿真模型。简化有限元仿真模型，在有限元模型中只需要建立与板坯发生接触的部件，即 7 套成型机架轧辊和 3 套定径整形机架轧辊，以及板坯和板坯送料夹具。为提升求解经济性，通常将轧辊、夹具等部件设置为刚体，模型中将板坯设置为变形体，且采用壳单元。

 

 

图3. 辊弯成形有限元模型

 

本文中板坯材料采用 TA2 纯钛，该材料具备优异的塑性以及良好的冷加工性，同时还兼具良好的抗腐蚀能力，因此能很好的满足特定环境下管类零件成型和防腐等方面的要求。TA2 材料的力学性能参数如表1 所示。

 

表1. TA2材料力学性能

 

 

1.2 边界条件

本文中钛焊管辊弯数值仿真模型中的边界条件主要指轧辊、板坯以及板坯夹具三者之间的接触、摩擦以及运动关系。

 

1.2.1 接触及摩擦关系处理

钛焊管辊弯成形是板坯在多组轧辊的挤压、弯曲作用下连续变形并最终形成产品的过程。随着各组轧辊与板坯之间相对运动的变化，轧辊与板坯间的接触区域成非线性变化，接触条件复杂。本文中，板坯、板坯夹具、轧辊三者之间均采用罚函数摩擦模型进行处理[10]。

 

1.2.2 运动关系处理

在图 3 中，分别建立了板坯、夹具、成型轧辊、定径整形轧辊四种部件。其各种部件在运动关系处理上各有差异。在数值仿真模型中，夹具的主要作用是使板坯在进入轧辊前获得一个沿着送料方向的初速度，使板坯能顺利进入轧辊。因此，夹具的运动加载条件只需要给定沿送料方向的运动初速度即可，而板坯本身不需要再额外施加约束条件。

 

对于成型机架和定径整形轧辊，其主要作用是使板坯在经过轧辊时，根据轧辊孔形的变化，实现弯曲变形。每组主机架轧辊通常由主动轧辊和从动轧辊组成。主动轧辊靠电机及减速系统提供动力，而从动轧辊根据轧辊与板坯之间摩擦力的变化被动旋转。对于主动轧辊，运动加载条件施加绕轴线的角速度；从动轧辊，则释放绕轴线的角速度自由度。

 

1.3 工艺参数

本文中工艺参数主要涉及辊花、轧辊转速、轧辊尺寸、机架间距等。轧辊转速由电机和传动系统设定，本文将转速设定为：20 r·min-1。

 

1.3.1 辊花

钛焊管辊花图通常由多个道次组成，根据各个道次辊花形状的变化实现焊管的最终成形。在图 4 中，辊花分为 10 个道次，前 1～7 道次承载主要的变形过程，8～10 道次主要起定径整形作用。

 

 

图4. 钛焊管辊花图

 

1.3.2 机架间距

表 2 中给出了钛焊管的两种机架间距方案，方案 2 相比于方案 1 将原 5-10 道次机架间距由 1400 调整为 700，各道次之间间距更小，目的是使成形过程更加平顺，减小回弹。

 

表2. 机架间距

 

 

为了研究两种方案的成形性，对两种方案做了数值仿真对比分析，如图 5 所示。以第 7 道次成型结果为例，对比图 5a 和图 5b 可知，两种方案的等效应力和等效应变分布在数值上差异较小，分布情况也比较均匀一致；从图 5c 和图 5d 中两种方案的等效塑性应变分布情况可以看出，方案 1 在管坯端部存在回弹大、局部扭曲严重的问题；方案 2 有均衡的应力水平和应变水平，成型效果更好。综上，采用缩短机架间距的方式可有效控制钛焊管成型的回弹，使成型更加稳定。

 

 

图5. 两种方案应力应变分布

 

1.3.3 轧辊尺寸

轧辊尺寸主要用来控制前后机架之间的转速比。普通的的辊弯生产线大多采用一带多（即一台电动机带动多台机架）的方式进行生产，想要调整前后机架之间的转速比，通过调整电机转速通常比较困难。因此，很多情况下都是通过调整前后机架轧辊的尺寸比来达到改变转速比的目的。选择合适的转速比对成形质量至关重要。

 

图 6 所示为两组机架轧辊的运动示意图，在轧辊的作用下，板坯沿着送料方向运动。从上文（图 3）可知，Rn 和 Rm 为主动辊半径，前后两组机架转速比通过两主动轧辊半径即可确定。

 

 

图6. 轧辊运动示意图

 

速比的取值对成形的板型控制至关重要，不当的速比取值可能造成板型弯曲、扭曲等缺陷。本文速比取值为 1.005（Rn 略大于 Rm），板坯处于微张力状态，板坯成型较好。

 

仿真分析与试验研究

应力应变分布

上文图 5 中已经给出了钛焊管辊弯成型应力应变云图分布情况，板坯在成形过程中，其应力应变主要集中在边缘处?？悸堑筋押腹芄跬涑尚椭饕跋煲蛩匚芗渚?，成型主要缺陷为板坯在成型过程中边缘产生边浪和鼓包，因此在数值仿真中有必要对板坯边缘部分节点的受力和变形情况进行分析。分别选取表 2 中两种方案对模型中板坯边缘出的节点应力和应变情况进行分析，如图 7 所示。

 

 

图7. 节点位置

 

从图 8 中两种模型的在节点 A 处的应力应变分布曲线可以看出，间距为 700 的模型整体应变和应力水平相对较低，成型抗力相对较小，成型稳定性更好。板坯在成型过程中，边部在纵向上主要受拉压作用。当边部纵向拉伸发生屈服而使材料变形伸长，板坯在进入下一道轧辊时受轧辊阻力作用，板坯在拉压作用下发生失稳，从而造产生鼓包。

 

从图 8a 中也能看出，节点 A 应力呈锯齿状分布，表明了板坯在成型时的拉压状态。在 0s～100.3s（1～7 组成型辊工作）时，成型峰值应力呈逐渐递减趋势，板坯成型由高抗力向低抗力转变。在 100.3s～205s（8～10 组定径整形辊工作）时，板坯成型应力和应变逐渐趋于稳定，说明板坯在此阶段已完成预成型，塑性变形抗力的影响已经较弱。

 

 

图8. 节点应力应变曲线

 

2.2 试验研究

为了验证数值仿真模型的可靠性，根据不同的试验工艺参数分别建立了不同的辊弯成型数值仿真模型，各试验和仿真的结果对比如图 9 所示。

 

在图 9a 中，采用 1400 机架间距进行试验和模拟，在第 7 道次后均出现鼓包现象；图 9b 和 9c 为采用700 机架间距所得的试验和仿真结果，不管是回弹效应还是成型过程，两者一致性较高。不管是成型缺陷的模拟还是工艺方案的修正效果对比，数值模拟都能很好的反应试验情况。通过对比分析，验证了辊弯成型数值仿真模型用于钛焊管成型的可行性，表明了钛焊管辊弯成形工艺参数的合理性，该辊弯成形数值仿真模型可以用于指导钛焊管实际生产。

 

 

图9. 试验与仿真对比

 

结论

1）本文通过辊弯成形数值仿真分析，明确了辊弯机架间距对钛焊管成型的影响。

2）分析了钛焊管在辊弯成形过程中的应力应变分布情况，钛焊管在成形过程中边缘处易受拉压作用而发生失稳，从而引起边浪、鼓包等缺陷。

3）通过试验和仿真结果对比分析，验证了本文所述辊弯成型数值模型用于钛焊管辊弯成型的的可靠性。

资料来源：达索官方