UOE焊管成形工艺实验研究

UOE焊管成形工艺实验研究是针对管线钢管UOE成形关键技术进行的物理模拟研究，其目的是通过实验深入了解UOE焊管来料质量和工艺参数对O成形工序成形质量及成形载荷的影响，验证理论分析和数值模拟的结果，为确定管线钢管UOE成形工艺参数、制定各工序质量控制策略提供技术支持。

实验方案与测试

O成形是管坯焊接前的最后一道成形工序，也是考核制品成形质量的重要工序。该工序中产生的质量缺陷也将不同程度地被传递下去，经过机械扩径后也很难完全消除。O成形管坯的质量通常以制品的椭圆度和桃形凸度衡量，通过前面章节的研究可知，弯边工序成形质量及O成形压缩率对其成形质量有较大影响。因此，为控制焊接前管坯的成形质量，需要深入研究O成形工序的来料质量及其工艺参数对制品椭圆度和桃形凸度的影响规律。

UOE焊管成形工艺中，O成形所需的成形力最大，对设备能力的要求最高。随着焊管直径、壁厚、长度增大和钢级提高，O成形所需的压力越来越大，成形载荷已成为制约UOE焊管生产线产品规格的重要因素之一，也是生产实际中必须考虑的一个控制参数。O成形压力机的压力已从最初的160MN提高到目前的720MN。实验内容以UOE焊管O成形工序为主，对不同来料质量的U形板料O成形工艺进行实验研究。实验对φ406×6(mm)规格UOE焊管O成形工艺进行研究，直径和壁厚均取1：0.5比例。初始板料规格为622×300×3(mm)，材料为Q235，其屈服强度为235MPa，抗拉强度为375~460MPa，伸长率为26%，其化学成分见表6-1。

测试内容包括成形载荷、成形质量两个方面：

(1)成形载荷通过对成形载荷的实际测定，获得O成形载荷曲线，验证本文给出的成形载荷计算公式和数值模拟结果的正确性。

(2)成形质量通过对制品椭圆度和桃形凸度的实际测定，得出来料质量对O成形工序成形质量的影响规律。

实验共分14组进行，各组中所采用的工艺参数见表6-2。

实验设备与成形模具

UOE焊管成形工艺实验用设备为YA-315单动液压机。液压机的主要技术参数列于表6-3。

本实验的过程监测及计算机数据记录系统功能框图如图6-1所示。由于受实验条件所限，成形力和模具行程的测定均采用了间接测试的方法。实验测定的成形力是液压机的实际输出力，等于液压机工作缸的实际液体压力与活塞面积的乘积。液压机工作缸的压力由ACY-7型电阻丝式液压传感器检测，经动态电阻应变仪对信号进行调制和放大处理。模具行程采用LVDT-50型差动变压器式位移传感器检测，位移传感器被固定在液压机立柱上，位移信号经A/D转换后进入工业控制计算机，通过数据采集控制软件—LabVIEW进行数据的记录、显示。

实验的中间制品和最终制品的几何形状均由美国星科(Cimcore)公司出品的3000i TM系列高精度柔性三坐标测量系统，应用接触式点云采集方法测量。图6-2为三坐标测量系统，其测量精度可达005.0±mm。

图6-3所示为实验用成形模具，由U成形弯曲凸模，凹模和上下O成形模四部分组成。其中，弯曲凸模半径R u=75mm，凹模间隙δu=162mm，O成形模半径R o=100mm。图6-4所示为实验中板料的变形过程。由于实验条件所限，板料的弯边工序在U成形的凹模外缘上进行，其方法为在U成形凹模外缘处加工弯边工序所需的曲线线形，板料固定后U成形凸模向下移动，实现对板料的弯边。

实验结果

图6-5~图6-8所示为各工序成形坯料和最终成形焊管。其中，图6-5为两端预弯后的板料；图6-6为部分成形后的U形件；图6-7为O成形后尚未焊接的管坯；图6-8为对焊缝开口处进行收口焊接后的管坯制品。

表6-4给出了成形力、椭圆度和桃形凸度的实验结果。表中，成形力是通过力传感器测定的液压机的实际输出力，椭圆度和桃形凸度是根据三坐标测量仪测绘的云图进行计算得出的。

成形质量

母线的直线度偏差是衡量管坯纵向成形质量的一个重要指标，主要是由于板料的壁厚、材质和变形不均匀引起的。由于存在着母线直线度测量的技术问题，实验工作未对该参数作深入研究。错边是直缝焊管的一种典型成形缺陷，分为轴向错边和径向错边两种，主要是在成形过程中因板料位置偏移、变形不对称所致。图6-11是带有轴向错边缺陷的实验制品。

O成形后焊管横断面的成形质量通常以制品椭圆度和桃形凸度两个指标来衡量。利用三坐标测量仪测绘的管坯外圆周几何形状的云图，再根据本文第4章所定义的方法即可得出管坯椭圆度和桃形凸度的数值。图6-12，图6-13分别为制品椭圆度和桃形凸度与弯边弧长的关系。图中纵坐标分别为为椭圆度和桃形凸度，横坐标为相对弯边弧长k c。从图中可以看出，随着弯边弧长增大，制品的椭圆度和桃形凸度均呈现出先减小后增大的趋势。由第4章的仿真结果可知，弯边弧长较小时板料的弯曲半径较大，因而管坯的椭圆度和桃形凸度都较大。随着弯边弧长增大，板料的弯曲半径逐渐减小，管坯的椭圆度和桃形凸度也逐渐减小。弯边弧长较大时，板料的端部难以与弯边模具贴合，板料端部的不弯边长度明显增大，导致制品的椭圆度和桃形凸度增大。实验研究发现，用未经过弯边的坯料成形的管坯不仅椭圆度和桃形凸度较大，见表6-2第14组结果，而且开口处有明显的直边段，如图6-14所示。

弯边半径也影响制品成形质量。图6-15，图6-16所示分别为制品椭圆度和桃形凸度与弯边半径的关系。由图可知，采用比O成形模具半径大些或小些的弯边半径，使用弯边弧长相同的板料压缩同样的行程，在这种条件下得到的成形管坯的椭圆度和桃形凸度都较大，成形质量差。图中横坐标为相对变边半径δr，即板料弯边半径与O成形模具半径的比值。

随着O成形上模压下量增大，制品的椭圆度呈现先逐渐减小而后增大的趋势。板料与模具完全贴合后，继续增大O成形上模行程，对管坯实施周向压缩，可以提高制品的成形质量。如果对管坯过量压缩，会使管坯垂直方向的直径减小，将管坯压制成扁圆，导致制品椭圆度增大，如图6-17所示。制品的桃形凸度随着O成形上模压下量增大而逐渐减小并由正转为负，如图6-18所示。图中横坐标为O成形模具的相对间隙。值得指出的是，压缩率过大时，坯料会在模具缝隙处出现失稳，这也是导致制品椭圆度增大的原因。图6-19所示为研究板料在模具缝隙处失稳形态时得到的实验结果和数值模拟结果的比较。

本章小结

(1)测定了O成形载荷的变化规律，测试结果与数值模拟结果基本吻合。结果表明，成形载荷随模具行程增加具有明显的阶段性。

(2)验证了O成形力计算公式的正确性。实验结果表明，修正后的结果误差显著缩小，计算结果与实验结果的最大误差为12.5%，平均误差为2.9%。O成形压缩率是最大成形载荷的主要影响因素。

(3)揭示了弯边长度、弯边半径和O成形相对间隙对成形质量的影响规律。研究结果显示，采用比O成形模具半径大些或小些的弯边半径，成形管坯的椭圆度和桃形凸度都较大，成形质量差。未经过弯边的坯料成形的管坯椭圆度和桃形凸度较大，且焊缝区存在明显的直边段。