中厚壁方管冷弯成型效应研究

韩 飞，张 涛

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京100144）

中厚壁方管冷弯成型效应研究

韩 飞，张 涛

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京100144）

为了研究冷弯成型效应对中厚壁冷弯方管的影响，以材料等级Q235和Q345、厚度4～8 mm、截面尺寸60 mm×60 mm～150 mm×150 mm的方管为研究对象，进行材料性能试验，得到方管的强度提高值和强屈比，分析成型工艺、板料厚度和截面尺寸等因素对冷弯方管的影响。结果表明，圆角和平板部位强度均有提高，但圆角强度提高值更大，这与圆角部位变形量较大有关；焊缝处经过高温变形，相对于对面和两侧平板强度值均更大一些；而且，平板强屈比波动区间较大，与圆角相比，其数值的离散性更大；方管同一截面上平板部位强屈比大于圆角部位，两者数值呈负相关。

方管；冷弯效应；强度；强屈比；成型工艺

冷弯型钢因其自身质量轻、截面经济合理、尺寸精度高、表面光洁而成为一种新型高效、节能环保材料，被广泛应用于公路护栏、建筑钢结构、汽车、集装箱、脚手架、桥梁、输电铁塔等行业中[1-4]。

在冷弯成型过程中，由于冷加工的作用使型钢的力学性能发生变化，型钢材料的抗拉强度、屈服强度得到提高，而材料的延伸率降低，因此称这种现象为冷弯效应[5]。对于冷弯方管来说，经过冷弯成型后，材料的力学性能相对于母材都有很大的变化[6]。圆角处材料的强度值高于平板处材料的强度值[7-8]，而且变化程度与型钢材料本身的厚度有一定的关系。

冷弯成型使方管截面强度显著提高，方管设计中合理地考虑强度的提高，将会减少材料使用量，实现更好的经济效益。本研究以材料等级Q235和Q345、厚度4～8 mm、截面尺寸60 mm×60 mm～150 mm×150 mm的方管为研究对象进行拉伸试验[9]，对试验数据进行处理得到方管平板和圆角部位以及焊缝部位屈服强度、抗拉强度[10]和强屈比的变化规律。同时，还将研究方管成型工艺、板料厚度和截面尺寸对冷弯成型方管强度提高值以及强屈比的影响。

1 冷弯方管材性试验材料

目前，方管采用辊式连续成型的工艺方式有两种：①“圆成方”工艺，用焊管机组将带钢成型、焊接成圆管后，再通过整形机组定型为方管；②“直接成方”工艺，将带钢直接弯曲成型为方管管坯，然后进行对缝焊接和整型。本试验使用的冷弯方管其材料强度、截面尺寸、板料厚度、成型工艺等方面均不相同，因而这些材料有充分的代表性。所有进行材性试验方管的具体参数见表1。

表1 材性试验截面及试样类别

为了降低材性试验的误差，保证试验结果的准确性，每种型号方管均取A管和B管两根，同型号方管之间以及方管同部位之间均形成对照关系。

图1 试样取样位置及标号

材性试验试样在方管截面上相对位置如图1所示。试样一部分为母材上截取的平板试样，另一部分取自于“直接成方”和“圆成方”两种工艺成型的冷弯方管，分别为平板试样（标号F）、圆角试样(标号C)和焊缝处平板试样（标号W），这些试样均是沿着方管长度方向选取。

2 试验方案和过程

根据试验需求，试验中选用最大承载力为10 t、型号为STM E45.105－B的拉伸机，结合非接触应变测量系统（ARAMIS－3D 5M）完成拉伸试验，试验平台如图2所示。试验前，以试样中间位置为参考，在试样平行段用不锈钢锥标记标距段位置。

图2 试验平台

为了使拉伸试样铅直、有效避免剪切现象发生，在进行拉伸试验时需要使用针对试样设计的平板夹具和圆角夹具。对于平板试样而言，试验发现所有平板试样都经历了弹性变形、屈服、颈缩、断裂4个阶段，断裂时状态如图3（a）所示。而圆角试样有弹性变形、颈缩、断裂3个阶段，而没有明显的屈服阶段。所有试样都在平行段内断裂，但少数试样由于加工问题导致断裂位置在标距段外侧，试样断口位置如图3（b）所示。

由于截面形状和加工误差等原因，试验中采用称重法测量圆角试样标距段截面积。具体做法为：在圆角试样标距段截取长度为5 mm的小样，用托盘天平称重，然后，根据质量与密度公式m=ρV及几何关系计算圆角试样标距段截面积。

图3 平板试样断裂情况

3 试验结果与分析

试验前需要对试样表面用酒精进行除污处理。试样经过除污处理之后，需要用黑白两种专用油漆对试样表面进行喷斑，保证仪器采集的试验数据真实可靠。拉伸试验结束后，根据试验结果计算出方管各性能参数，具体结果见表2。7#方管的屈服强度和抗拉强度都大于1#方管，说明方管截面各部位的屈服强度和抗拉强度受截面尺寸影响，当截面尺寸越小，屈服强度和抗拉强度就越大。这是因为方管截面尺寸越小，方管平板处和圆角处在冷加工过程中变形量越大，受冷弯效应影响越大，故强度增加越多。

表2 方管各部位材料性能参数比较

4 结 论

（1）圆角部位屈服强度相对于平板部位的提高系数均大于平板部位屈服强度相对于母材的提高系数，两者呈负相关；圆角部位抗拉强度相对于平板部位的提高系数也均大于平板部位抗拉强度相对于母材的提高系数，但两者不存在明显的线性几何关系，说明材料在塑性强化阶段变形更加复杂，可能需要考虑多种因素对变形的影响。

（2）平板强屈比波动区间较大，与圆角强屈比相比，其数值离散性更大，而且，同一截面上平板部位强屈比大于圆角部位，两者呈负相关。

（3）“圆成方”方管各部位的屈服强度和抗拉强度均高于“直接成方”方管，并且，“直接成方”方管平板屈服强度相对于母材提高值较小，“圆成方”方管平板屈服强度相对于母材提高值较大，特别是焊缝对边提高值最大。

（4）当方管的材料等级和截面尺寸等因素相同时，方管厚度越大，方管的圆角相对于平板屈服强度提高值与抗拉强度提高值越大。而且可以看到方管平板处和圆角处的强屈比基本相同，说明冷加工过程中，虽然平板和圆角都会产生不同程度的冷弯效应，但是厚度对方管各部位的强屈比基本没有影响。

（5）方管截面各部位的屈服强度和抗拉强度受截面尺寸影响，当截面尺寸越小，屈服强度和抗拉强度就越大。

本研究采用的方管均由上海佳冷型钢有限公司提供，特此感谢。

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[2]姜忻良，李黎明.冷弯厚壁型钢钢管冷作硬化效应[J].天津大学学报，2008，41（1）：85-91.

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[4]BEN Y.Experimental and numerical investigation of high strength stainless steel structures[J].Journal of Constructional Steel Research，2008，64（11）：1225-1230.

[5]温东辉，沈祖炎，李元齐.冷弯厚壁型钢冷弯效应及残余应力研究进展[J].结构工程师，2010，26（1）：157-162.[6]韩飞，刘继英，艾正青，等.辊弯成型技术理论及应用研究现状[J].塑性工程学报，2010，17（5）：53-60.

[7]HU S D，YE L X.Materials properties of thick-wall coldrolled welded tube with a rectangular or square hollow section[J].Construction and Building Materials，2011，25（11）：2683-2686.

[8]侯刚，童乐为.冷弯非薄壁方管材料特性试验及分析模型[J].工程力学，2013，30（2）：372-378.

[9]胡盛德，李立新，周绪昌，等.250 mm×250 mm×9.2 mm厚壁方形型钢管冷作硬化效应研究[J].工程力学，2010，38（11）：172-177.

[10]李茜，韩飞.方矩形管成形效应对力学性能的影响[D].北京：北方工业大学，2013.

Experimental Investigation on Cold-forming Effect of Middle Thick-walled Square Tube

HAN Fei，ZHANG Tao
（College of Mechanical and Material Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

To study the cold-forming effect on cold-formed middle thick-walled square tube，the performance test of material was conducted on steel grade Q235 and Q345,thickness of 4～8 mm and cross-sectional dimensions of 60 mm×60 mm～150 mm×150 mm square tube,the strength increased value and yield ratio were increased.The effect on cold-formed square tube was analyzed from forming process,sheet thickness and cross-sectional size and other factors.The results showed that the strength of both rounded corners and flat parts were improved.However,because of the large deformation，the increasing value of rounded corners is more.Compared with rounded corners，the fluctuation range of flat parts is large,and the numerical discreteness is larger.The yield ratio of flat parts is higher than that of rounded corners on the same cross-section of square tube,two values present negative correlation.

square tube;cold-bending effect;strength;yield strength;forming process

TG113

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.014

韩 飞（1977—），男，教授，主要从事材料成形过程多尺度宏微观变形机理研究工作。

2016-06-03

李红丽