分享：椭圆孔入口轧件高度对ER70S-6焊丝钢粗轧褶皱的影响
针对ER70S-6焊丝钢在粗轧后出现的褶皱缺陷，利用有限元模拟与实验相结合的方法，研究了第三道次椭圆孔入口轧件的高度对该道次应力应变及金属流动规律的影响，并进行了实验验证。结果表明：第3架轧机轧件入口高度减小2 mm时，粗轧后褶皱平均深度由126.46 μm减小为83.47 μm。
ER70S-6低合金焊丝钢盘条是制作CO2气体保护焊的主要原材料，主要由铁素体和珠光体等复相组织组成，在桥梁、锅炉、船舶、车辆制造以及其他工业制造行业都有着广泛的应用，是国内外应用最广泛的气体保护焊丝钢[1-2]。通过热轧工艺来生产，涉及到高温变形，表面质量是其面临的最主要问题[3]，其中褶皱是影响线材表面质量的主要因素之一。作为常见的缺陷，褶皱无论出现在边缘还是表面，都会对钢坯造成损伤，导致生产成本的增加。如果表面存在褶皱缺陷，会在后续加工过程中造成传播，最终导致零件失效[4-5]。因此，有必要对其进行优化。目前国内外许多学者利用有限元对线材轧制进行了模拟并分析了褶皱的产生原因[6-9]。乔明亮等发现辊缝的调整不当会导致线材出现缺陷[10-11]。韩际清等通过实验提出了褶皱产生的原因和解决方法[12-13]。
唐山德龙钢铁有限公司轧线采用了150 mm×150 mm坯料，粗轧孔型为：箱-箱-椭圆-圆-椭圆-圆型孔。为了适应更广泛的产品需求，现将150 mm×150 mm坯料改为160 mm×160 mm，并且前两架箱型孔改为无孔型圆柱形辊。圆柱形辊身轧制虽然能够减少换辊频率、提高生产效率，但从轧件变形角度来说，经前两架圆柱形辊身轧制后，坯料圆角部并没有进行加工，试样直接进入第3架椭圆孔型，使得轧件圆角部变形更加剧烈，从而极易导致轧件变形失稳产生褶皱。
因此，本文利用有限元模拟与实验相结合的方法，针对方形轧件进入第三道次椭圆孔型的变形条件，模拟了变形过程中的应力应变分布和金属流动规律，通过调整进入第三道次椭圆孔方形轧件高度，研究了椭圆孔入口轧件尺寸对轧件角部变形和应力应变的影响，确定了褶皱出现的位置，并进行了实验验证。
粗轧有限元模型
鉴于前两架为平辊，利用Abaqus有限元软件对第3~6架粗轧过程进行三维实体建模，将第2架出口坯料作为工件，尺寸为131 mm×131 mm。为了提高计算效率，根据工件及边界条件的对称性，建立了1/4模型进行分析，见图1(a)。轧辊设为解析刚体，轧件设定为弹塑性各向同性材料，采用C3D8RT单元进行网格划分，单元总数为59312个，施加对称边界条件，限制对称面垂直方向上的位移。轧辊与轧件间的摩擦系数为0.3。轧件表面的对流换热系数为10W/(m2·K)，辐射系数为0.8，热传导方式是轧件与轧辊的主要换热方式，换热系数为20 W/(m2·K)。轧辊温度设置为恒温，温度为300℃；外界环境温度为20℃。在轧制过程中，轧件因塑性变形生热与摩擦生热等原因，设定功与热转换系数为0.9。对轧辊施加角速度，其数值与实际生产相一致。
为了分析褶皱出现的原因，将从材料横向流动速度以及横向变形程度两个方面重点研究角部圆角在进入孔型后的变形情况。节点从轧件左上到右下选取10个节点，跨越圆角处，通过对节点的追踪分析，研究不同区域处各场量的分布情况，得到材料流动规律，预测褶皱产生的位置，节点选择如图1(b)所示。
有限元模拟结果与分析
轧件变形分析
在轧制过程中，应力应变的分布反映了金属变形情况[14-15]。图2给出了第3架轧机轧制时工件的等效塑性应变及等效应力分布图，等效应变最大的部位出现在轧件的角部位置，角部的等效应变最大值可达到1.26，其他位置的等效应变值在0.3~0.7之间。同时，工件上应力分布也是不均匀的，工件角部等效应力较大，达到了206.5 MPa，其他位置的等效应力在107.5~190 MPa。可见，尽管轧件角部温度低，但却承受较大的压缩变形，容易造成轧件侧壁失稳，形成褶皱缺陷。
粗轧褶皱产生位置的确定与验证
在粗轧飞剪处取样观察褶皱产生的位置，并将其标记在粗轧试样的横断面上，见图3(a)。利用有限元软件追踪坯料圆角附近节点的运动情况，图3(b)给出了坯料圆角与粗轧试样的对应位置，与水平之间的夹角为35°~42°。两者对比发现，褶皱主要发生在坯料圆角附近处。
轧件高度对粗轧第三道次变形时压缩应变的影响
图4为第三道次入口轧件高度尺寸对轧件角部横向宽展应变及压缩应变的影响。当轧件高度由128 mm变为132 mm时，压缩应变由–0.261降为–0.293。可见，减小第三道次轧件入口高度会同时降低压缩应变，减轻角部变形程度，从而减轻角部变形的不均匀程度和激烈程度，降低轧件失稳的几率，进而抑制褶皱的发生。
图5为第3架轧机轧件入口高度对轧件角部节点运动速度的影响。当减小第3架轧机轧件入口高度时，圆角节点最大速度差由18.84 mm/s减小为14.99 mm/s，然而增大第三架轧机轧件入口高度时，则会使圆角节点最大速度提高到27.62 mm/s。可见，当减小第三架轧机轧件入口高度时，轧件圆角附近节点流动差异变�。庥欣谝种岂拗宀�，提高表面平整度。
实验验证
为了验证第3架轧机轧件入口高度对粗轧表面缺陷的影响，在其他参数不变的情况下，仅调整第3架轧机轧件入口高度，调整量为±2 mm。通过光学显微镜和扫描电镜观察表面褶皱的形貌，见图6，并测量统计其平均深度，如表1所示。
结合图6与表1可知，减小第3架轧机轧件入口高度，粗轧后轧件表面褶皱条数明显减少，褶皱深度明显减小。与正常轧制时轧件入口高度相比，第3架轧机轧件入口高度减小2 mm时，粗轧后轧件的表面平均褶皱深度减小约43 μm，而第3架轧机轧件入口高度增大2 mm，粗粗轧后轧件的表面平均褶皱深度则会增加约58 μm。这表明减小第3架轧机轧件入口高度能有效降低褶皱平均深度，有利于钢种表面质量的改善。
结束语
(1)利用有限元软件追踪了坯料圆角节点的流动情况，并与粗轧褶皱产生位置进行对比，结果表明褶皱发生在坯料圆角附近。
(2)第3架轧机轧制时，相比其他位置，坯料角部承受较大的应力，变形程度剧烈。
(3)减小第3架轧机压下量有助于降低角部所承受的变形量，从而抑制褶皱的产生。实验表明，将第3架轧机压下量减小2 mm，粗轧试样平均褶皱深度从126.46 μm降到了83.47 μm，这验证了有限元模拟的有效性。
文章来源——金属世界
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