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雙金屬復(fù)合無縫鋼管具有較強(qiáng)的耐蝕性能及綜合性能，可大大降低管道生產(chǎn)和維護(hù)成本，因此己經(jīng)在腐蝕性較強(qiáng)的石油、石化、核電、海洋平臺(tái)以及醫(yī)藥等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同。目前，斜軋技術(shù)在無縫鋼管的生產(chǎn)過程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，不僅用于穿孔工序，還用在軋管、均整、定徑、延伸、擴(kuò)經(jīng)和旋壓等基本工序。
杭州那泰有限元分析公司以碳鋼Q235為外層基體、SUS316L不銹鋼為內(nèi)層雙金屬復(fù)合鋼管為主要研究對(duì)象，應(yīng)用高級(jí)非線性有限元MSC.MARC軟件，對(duì)雙金屬無縫鋼管斜軋過程建立熱力耦合模型并進(jìn)行有限元分析模擬，獲取了斜軋穩(wěn)定階段的空間應(yīng)力分布，繪制了管坯斜軋過程中輥縫下斷面沿圓周的應(yīng)力分布曲線，并根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)解釋了鋼管斜軋過程成形機(jī)理。文中研究成果可以在無縫鋼管斜軋成型工藝設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。
三維雙金屬復(fù)合無縫鋼管斜軋模型，管坯材質(zhì)為外層碳鋼Q235、內(nèi)層 SUS316L不銹鋼；軋輥為錐形輥，輥距為65mm，導(dǎo)距為74mm，芯棒直徑為6mm；咬入角α為10.5°，輾軋角β為15°，軋輥轉(zhuǎn)速為50r/min。管坯外層金屬：Φ74mm×5mm、內(nèi)層層金屬Φ67mm×3mm；管坯共劃分7200個(gè)單元，9182個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中采用更新的拉格朗日算法、Prandtl-Reuss流動(dòng)方程和Von Mises屈服準(zhǔn)則處理兩輥斜軋過程中的三維大變形問題，兩輥斜軋有限元模型以及網(wǎng)格劃分情況。
管坯外層金屬Q(mào)235和管坯內(nèi)層金屬SUS316L不銹鋼分別從MSC.MARC的材料庫中選Qst32-3和XSCrNiMo18-10。
軋輥、芯棒與導(dǎo)板均視為剛形體，為了給管坯一個(gè)初始速度來實(shí)現(xiàn)管坯的咬入，模型中設(shè)置了一個(gè)推板，以一定的速度作用于管坯尾部。推板相當(dāng)于實(shí)際斜軋時(shí)的推鋼機(jī)，當(dāng)管坯被咬入后，推板停止運(yùn)動(dòng)，隨后，由軋輥接觸邊界帶動(dòng)管坯向前運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)斜軋過程；管坯的初始溫度設(shè)為1150℃；環(huán)境溫度取25℃、軋輥和導(dǎo)板溫度取200℃。
管坯與軋輥接觸面間遵循剪切摩擦定律，它們之間的摩擦因數(shù)為0.7；管坯的自由表面與周圍環(huán)境之間的等效換熱系數(shù)為0.17N/(s·mm·℃) ，管坯與軋輥之間接觸傳熱系數(shù)為20N/( s·mm·℃)；管坯變形時(shí)變形功轉(zhuǎn)換成熱的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9；管坯與軋輥接觸表面摩擦產(chǎn)生熱量平均分配給工件和軋輥。
經(jīng)過有限元仿真模擬，可以觀察到兩輥斜軋雙金屬管坯時(shí)，管坯從咬入、減徑、減壁到輾軋拋出的全過程要經(jīng)過一個(gè)由圓形、橢圓形再到圓形的變形過程。管坯在軋輥入口錐被咬入后，首先徑向受到壓縮減徑，使空心雙金屬管坯的內(nèi)表面逐漸貼近芯棒，并初步形成一個(gè)橢圓形的斷面形狀，為經(jīng)過軋輥的集中變形區(qū)時(shí)聚集足夠的軋制咬入力。在管坯將要達(dá)到輥喉位置時(shí)，受到減徑減壁的大變形。隨后進(jìn)入精整段后，由于軋輥精整段平行于芯棒，此時(shí)雙金屬管坯受到均勻輾軋。在軋輥出口錐定型段，孔喉逐漸變大，管坯變形加劇，橢圓形壓扁逐漸消失，直到雙金屬管坯被歸圓拋出軋輥。
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