2205/X65爆炸焊復合板JCO成型過程協同變形行為研究*

張林杰，裴 強，畢宗岳

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049； 2.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018； 3.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

雙金屬復合管以其低廉的價格、較高的承壓能力和優異的耐腐蝕性能，被大量應用于石油、化工、海洋等腐蝕性環境。隨著經濟的迅速發展，市場對性能優良并且成本較低的大直徑層狀結構復合焊管的需求不斷增大。爆炸成形法能獲得界面結合良好的雙金屬復合管，分為直接法和間接法兩種。直接法是先把內襯管和外管組裝成復合管坯，然后引燃管內炸藥，爆炸產生的沖擊波使內襯管發生劇烈的塑性變形而緊貼在外管上。郭訓忠等[1]采用爆炸焊接工藝，通過合理控制基管和覆管間隙，成功制備出TA1/Al 雙金屬復合管，通過能譜分析及界面附近顯微硬度測試、剪切強度測試等性能試驗發現雙金屬復合管界面結合良好，為后續更加復雜形狀的復合管塑性成形提供了初步的研究。Greenberg等[2]研究了不銹鋼（316L）/碳鋼（CK22）同軸管的爆炸焊接，通過調整不銹鋼管內填充物的量進而改變爆炸載荷來研究爆炸焊界面的變化情況，研究表明，當爆炸載荷較小時結合界面為直線形，當爆炸載荷較大時結合界面為波形。目前工業上應用較多的是采用間接法來生產雙金屬復合管，主要分為三個步驟：首先通過爆炸焊得到雙金屬復合板，隨后通過軋制彎曲等各種方法進行輥式成型將雙金屬復合板機械加工至近似O 型，最后通過對接焊封口形成雙金屬復合管。其中關于雙金屬復合板的爆炸焊[3-20]和雙金屬復合板的對接焊[21-23]已經有很多的研究，但是關于加工成型過程方面的研究很少。比如，Xie 等[24]對爆炸焊接+軋制復合板的CP-Ti/X65 界面組織特性和力學特性進行了進一步研究。Tajyar 等[25]研究了Al/Cu 圓管經形狀軋制后的方管的力學性能，但是都沒有涉及成型過程。

JCO 成型技術是目前直縫埋弧焊管生產的主流工藝之一。Gao 等[26]利用有限元軟件模擬了X80鋼JCO 成型過程，采用四節點平面應變單元CPE4R對板料離散化，模具與板料之間的接觸定義為主從接觸，模擬結果表明：每一成型道次板料的應力、應變分布相同，板料中發生塑性變形的區域之間存在未發生塑性變形的部分，是因為這些區域在板料進給后沒有受到模具的擠壓作用。Aleshin等[27]模擬了大直徑直縫焊管JCO成型過程，結果發現，板料各段之間應力狀態趨于均勻分布，但每段的應力狀態是不均勻分布的，JCO 成型使鋼板的縱、橫截面上均產生了非線性的應力。目前對大直徑直縫焊管JCO成型工藝及其模擬的研究主要集中在單一的管線鋼材料，未見利用JCO成型方法生產大直徑雙金屬復合焊管的報道。

雙金屬復合板三點彎曲過程中，由于基層和復層材料的不同，抗變形的能力也不相同。隨著下壓量的增加，可能會因為材料變形不協調而出現層間開裂的現象。Ning 等[28-29]通過DIC 方法在2205/X65 雙金屬復合板和Zr/Ti/steel多層金屬復合板三點彎曲試驗過程中發現Ti/steel 界面存在應變不協調現象，他們認為這主要與兩種材料的屬性差異較大以及爆炸焊過程中產生的脆性金屬間化合物有關。在JCO 制管過程中，合理選擇壓制道次非常重要，壓制道次過多會影響生產效率，過少會影響成型質量。爆炸焊雙金屬復合板JCO 成型過程中，隨著壓制道次減少，復合板界面處應變不協調現象加劇，容易導致冶金結合界面的開裂。因此研究JCO成型工藝參數對雙金屬復合板結合界面兩側材料變形協調性的影響具有重要意義，但是變形過程中復合板內部的應力應變狀態很難通過試驗檢測的方法進行研究，利用有限元模擬研究可以揭示大量有價值的信息。因此，本研究主要采用數值模擬的方法對2205/X65爆炸焊復合板JCO成型過程進行研究，為大直徑雙金屬復合管的高效生產提供技術指導。

1 數值模型

1.1 材料屬性

本研究中覆層板和基層板分別為2205 不銹鋼和X65管線鋼。模擬中使用的雙金屬板部分材料性能見表1。已有研究[8]通過分層拉伸試驗得到了2205/X65 雙金屬板沿厚度方向不同位置金屬的拉伸應力-應變曲線。分層拉伸試驗的分層方案如圖1（a）所示，2205/X65 雙金屬板分層拉伸試驗和母材拉伸試驗結果如圖1（b）所示。

圖1 2205/X65雙金屬板分層拉伸試驗結果

表1 模擬使用的雙金屬板部分材料性能參數

由于大直徑直縫焊管的JCO成型屬于彈塑性變形，同時金屬材料在塑性變形過程中存在加工硬化現象，所以在定義雙金屬復合板料的塑性時采用彈塑性硬化模型。定義塑性材料參數時需要輸入真實應力和塑性應變，根據分層拉伸實驗結果得出名義應力、名義應變關系曲線及材料的屈服強度和抗拉強度，將材料的名義應力、名義應變轉化為材料的真實應力和塑性應變，轉化公式如下

式中：εtrue——真實應變，%；

l——試件的當前長度，mm；

l0——試件的初始長度，mm；

εnom——工程應變，%；

δtrue——真實應力，MPa；

F——載荷，MPa；

A——試件初始截面積，mm2；

A0——試件變形后截面積，mm2；

δnom——名義應力，MPa；

εpl——塑性應變，%；

εel——彈性應變，%；

E——彈性模量，GPa。

1.2 模型與邊界條件

分別建立了試驗條件下和實際生產中的2205/X65爆炸復合板三點彎曲過程的三維彈塑性有限元模型。模具分為上模和下模，板材為爆炸復合板，試驗條件下的有限元模型裝配圖如圖2 所示。其中上、下壓輥直徑均為20 mm，復合板的尺寸為210 mm×20 mm×18（2+16） mm，跨距為300 mm。模具在板料彎曲變形過程中不發生變形，設置為解析剛性體，并且為上下輥設置參考點，將載荷和邊界條件施加在參考點上，設所使用的爆炸復合板是連續體，并且材料各向同性，設置模型為可變形體。

圖2 試驗條件下有限元模型裝配圖

爆炸復合板料在受到載荷而發生彎曲過程中，只限制其對稱位置處四個節點x方向的自由度。模擬采用八節點六面體單元、結構化網格劃分技術對板料進行劃分。本研究所有計算過程選用允許發生彈性滑動的罰函數摩擦模型，罰函數允許模具表面可以在板料的節點間侵入，同時不增加系統的自由度，計算效率得到大幅提高，設置模具與復合板板坯之間的摩擦系數為0.1，各個接觸之間允許有限滑移。

1.3 工藝參數

1.3.1 驗證試驗的參數

為了驗證模型的可靠性，首先進行了下壓量分別為20 mm、21 mm、22 mm 時2205/X65 爆炸復合板三點彎曲試驗。彎曲試驗采用CSS-88100萬能試驗機，加載速度為1 mm/min，上輥直徑為40 mm，下輥直徑為30 mm。采用三維數字圖像相關系統XJTUDIC 實現了雙金屬板彎曲試驗過程中的瞬態應變場。XJTUDIC獲得的彎曲試驗構型和瞬態應變場如圖3所示，三點彎曲試驗過程中采用恒定位移的方式加載及卸載。

圖3 XJTUDIC試驗裝置檢測得到的瞬態應變場

1.3.2 數值研究方案

根據大直徑雙金屬直縫焊管JCO成型工藝特點，影響板材成型的主要工藝參數有上模半徑、下模半徑、跨距、彈復量、復合板厚度比。其中復合板厚度比為外層X65厚度與內層2205厚度比值。本研究中復合板厚度比為8時，復合板尺寸為210 mm×20 mm×18（2+16）mm；復合板厚度比6.5時，復合板尺寸為210 mm×20 mm×15（2+13）mm；復合板厚度比9.5 時，復合板尺寸為210 mm×20 mm×21（2+19）mm。數值模擬參數見表2。

表2 數值模擬的計算研究方案

1.4 爆炸復合板加工變形不協調的表征方法

圖4為等效塑性應變-時間歷程曲線。從圖4可以看出，隨著上模的下壓，開始的一小段時間內等效塑性應變為0，隨后隨著下壓時間的增加等效塑性應變逐漸增大，一定的時間后等效塑性應變不再變化，且2205 側單元的等效塑性應變比X65側單元的等效塑性應變大。沿著復合板1/2寬度縱截面提取緊鄰界面上側的2205不銹鋼層單元和緊鄰界面下側的X65管線鋼層單元的等效塑性應變（ε），并作出等效塑性應變差（Δε=ε2205-εX65），如圖4所示。用等效塑性應變差衡量材料加工變形不協調性。等效塑性應變差越大說明爆炸復合板加工變形不協調性越大，反之亦然。

圖4 等效塑性應變-時間歷程曲線

1.5 模型驗證

分別從DIC測量結果與計算結果中提取復合板下壓至最低點時的真應變水平方向的分量，比較下壓量分別為20 mm、21 mm、22 mm時的等勢線圖，結果如圖5所示。從圖5可以看出，測量結果與計算結果具有很好的吻合性，說明所建立的有限元模型具有良好的有效性和可靠性。

圖5 不同下壓量條件下有限元計算與DIC測試結果對比

2 結果與討論

2.1 上、下模半徑的影響

圖6 和圖7 分別為不同上模半徑、不同下模半徑條件下的等效塑性應變曲線及等效塑性應變差曲線。

圖6 不同上模半徑下的等效塑性應變及等效塑性應變差曲線

圖7 不同下模半徑下的等效塑性應變及等效塑性應變差曲線

從圖6（a）和圖6（b）可看出，在復合板對稱中心位置及其附近范圍內兩種材料等效塑性應變較大，遠離對稱中心位置兩種材料的等效塑性應變大小基本相同。上模半徑較小時，等效塑性應變區域較窄，并且2205和X65側的最大等效塑性應變均較大。從圖6（c）可看出，上模半徑較小時，最大等效塑性應變差較大，此時復合板加工變形不協調程度較大。當上模半徑從346 mm減小到253 mm時，變形不協調區域寬度從約120 mm減小到約90 mm，但界面處最大應變差從0.002 8%增大到約0.004 9%。因此，在大直徑直縫焊管實際生產中，其他JCO成型參數一定的情況下，建議優先選擇直徑較大的上模半徑。從圖6（c）還可以發現，兩種上模半徑條件下的等效塑性應變差均有負值出現，這是因為2205 不銹鋼和X65 管線鋼的屈服強度差距較大（約100 MPa），復合板彎曲過程中，兩側的X65管線鋼已經開始發生塑性變形時，2205不銹鋼由于屈服強度較高仍處于彈性變形狀態，從而導致X65管線鋼和2205不銹鋼的等效塑性應變差為負值。從圖7（a）和圖7（b）可看出，下模半徑的變化對發生等效塑性應變區域的寬度及等效塑性應變的最大值均無顯著影響。從圖7（c）也可以看出，不同下模半徑下，二者的等效塑性應變差基本一致，說明下模半徑對復合板加工變形協調性沒有明顯影響。

2.2 跨距和下壓量的影響

圖8為不同跨距下的等效塑性應變及等效塑性應變差曲線。從圖8（a）和圖8（b）可以看出，跨距為329 mm 時，復合板中心線附近約150 mm 的區域均發生了比較明顯的塑性應變，但是當跨距為390 mm 時，發生比較明顯的塑性應變的區域的寬度為約120 mm，即當下?？缇噍^小時，發生塑性變形區域的寬度較大。而且從圖8（a）和圖8（b）還可以看出，?？缇噍^小，復合板相應位置產生的等效塑性應變也較大。從圖8（c）可以看出，當跨距較小時，復合板彎曲成型過程中發生變形不協調的區域變寬，相同位置等效塑性應變差增大。當跨度從390 mm減小到329 mm 時，復合板彎曲成型過程中變形不協調區域的寬度從約90 mm 增大到約150 mm。從圖8 （c） 可以看出，當跨度發生變化時，界面兩側塑性應變差的最大值沒有發生顯著變化。

圖8 不同跨距下等效塑性應變及等效塑性應變差曲線

圖9為不同下壓量下的等效塑性應變及等效塑性應變差曲線。從圖9（a）和圖9（b）可以看出，下壓量較大時，發生塑性變形的區域較寬（約為復合板中心線附近150 mm），相應位置處的等效應變也較大，但是等效塑性應變最大值相差不大。從圖9（c）可以看出，下壓量較大時，存在等效塑性應變差的區域越寬，并且等效塑性應變差也越大。對比圖8和圖9可以看到，其余參數不變時，下?？缇?29 mm與下壓量為31 mm時復合板上等效塑性應變分布和等效塑性應變差分布相似，下?？缇酁?29 mm和下壓量為24.9 mm時的復合板上等效塑性應變分布和等效塑性應變差分布相似。即大跨距和小下壓量對復合板上等效塑性應變分布和等效塑性應變差分布具有相似的影響。假設下壓量一定時，復合板上產生的總變形量一定，當跨距較大時，復合板上可變形區域較大，三點彎曲過程中沿復合板長度方向上的變形比較均勻；下壓量較小時，復合板上產生的總變形量較小，在相同的跨距下復合板長度方向上的變形也比較均勻。因此，在大跨距和小下壓量條件下，復合板上存在等效塑性應變差的區域較小。因此，在其余成型參數一定時，建議選用較大的下?？缇?，采用小下壓量多次成型。

圖9 不同下壓量下等效塑性應變及等效塑性應變差曲線

2.3 復合板厚度比的影響

在保持覆層材料厚度不變的情況下，只改變復合板基層的厚度進行計算，分析復合板厚度比對復合板三點彎曲過程中變形協調性的影響。不同復合板厚度比條件下的等效塑性應變及等效塑性應變差曲線如10所示。

從圖10（a）和圖10（b）對比可以看出，其它成型參數一定的條件下，改變復合板厚度比對發生塑性變形的區域范圍大小沒有顯著的影響（約為復合板中心線附近120 mm 寬區域），但其對等效塑性應變值影響較大，雙金屬復合板厚度比較小時，等效塑性應變值較小。從圖10（c）可以看到，不同的復合板厚度比對應的等效塑性應變差基本一致，即不同的復合板厚度比對加工變形協調性影響的效果基本一致。

圖10 不同復合板厚度比條件下等效塑性應變及等效塑性應變差曲線

3 結 論

（1）建立了2205/X65 爆炸復合板JCO 成型的有限元模型，結合數字圖像相關法對模型進行了驗證，試樣表面應變等勢線的計算結果和試驗檢測結果吻合良好，彎曲角度及彈復量仿真結果的相對誤差均不超過6%。

（2）上模半徑越小則最大等效塑性應變差越大，復合板JCO 成型過程變形不協調區域的寬度越小。當上模半徑從346 mm 減小到253 mm時，變形不協調區域的寬度減小約25%，但界面處最大應變差從0.002 8% 增大到約0.004 9%。

（3）跨距越小則復合板彎曲成型過程中變形不協調區域的寬度越大，跨度變化對界面處最大應變差沒有顯著影響。當跨度從390 mm 減小到329 mm 時，復合板JCO 成型過程中變形不協調區域的寬度增大約60%。

（4）下壓量增大時界面附近變形不協調區域的寬度增大，但界面附近最大應變差的變化不顯著。當下壓量從24.9 mm 增大到31 mm時，復合板JCO 成型過程中界面附近變形不協調區域的寬度增大約30%。

（5） 下模半徑大小和復合板厚度比對2205/X65 爆炸復合板JCO 成型變形協調性影響不明顯。在實際生產中，建議選用較大上模半徑和較大跨距，采用小下壓量多次成型的工藝。