CN105598178A - 基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，所述工艺参数控制方法方法对复合板轧制过程建模并进行有限元分析，综合分析轧制过程中的各个工艺参数得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗。所述方法包括：获取复合板板层的物性参数；建立复合板和轧辊的几何模型；将复合板板层的物性参数导入几何模型中；设定分析步中的场输出变量；把影响结合的工艺参数设定为边界条件和载荷，计算分析后得到优选结果；本发明方法通过计算机数值模拟，充分发挥了计算机数值模拟在仿真预测方面的优势，以实现复合板轧制过程中界面结合强度工艺参数的优化，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高了工作效率。

Description

基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法

技术领域

本发明涉及复合板的轧制工艺，尤其是涉及一种基于数值模拟的复合板面结合强度的工艺参数控制方法。

背景技术

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

不锈钢复合板是将基材碳钢Q345与复层不锈钢316L或310S在高温高压下冶金结合一起，使其成为具有特殊复合特性的整体新材料，属于双金属复合板。不锈钢复合板兼具覆层不锈钢的耐腐蚀性和基体碳钢的结构强度与刚度，在使用性能上能够相互取长补短。

轧制法是最早用于生产复合板的方法之一，也是目前生产复合钢板和其它复合金属板的普遍和常用的方法。根据轧制温度的差异，可以分为热轧复合和冷轧复合。

热轧复合是将复材和基材组合焊接并通过高温轧制过程实现复材与基材的牢固冶金结合的生产工艺。

为了保证复合板有足够的界面结合强度，通常需要有较大的下压量，导致轧制力的增加，从而增加了轧机设备的负担。然而通过调整工艺参数可以在保证界面结合强度的前提下有效减小轧制力，有利于减小设备的负担。

发明内容

本发明的目的通过优化轧制过程中的工艺参数，使轧制设备在最小的负担下保证界面的结合强度，实现对复合板的轧制。减少通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高工作效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，所述工艺参数控制方法方法对复合板轧制过程建模并进行有限元分析，综合分析轧制过程中的各个工艺参数得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗。

进一步的，所述方法具体步骤如下：

步骤1）获取复合板板层的物性参数；

步骤2）建立复合板和轧辊的几何模型；

步骤3）将步骤1）中复合板板层的物性参数导入步骤2）的几何模型中；

步骤4）设定分析步中的场输出变量，用以确定复合板板层结合的条件；

步骤5）把影响结合的工艺参数设定为边界条件和载荷，计算分析后得到优选结果。

进一步的，所述步骤1）具体为：获取900~1300℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数；获取100~1150℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数膨胀系数；获取25~1500℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的传导率和比热。

进一步的，所述步骤2）具体为：建模复合板为可变形体，轧辊为解析刚体，根据模型的对称性采用1/8模型进行计算，施加的相互作用为：表面热交换条件、表面辐射、轧辊与复合板表面接触；对复合板组柸模型进行分区，分区采用C3D8RT单元进行网格划分进，界面处网格密度较大。

进一步的，所述步骤4）具体为：当板层接触界面上法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比大于1时界面发生粘合。

进一步的，所述步骤5）具体为：向步骤3）的模型中带入轧制过程初始的工艺参数，求出法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比，满足步骤4）条件则得出优选结果，否则对工艺参数进行调整重新带入。

进一步的，所述工艺参数包括：轧制力参数、轧制温度参数、压下量参数、轧制道数参数、轧制速度参数和轧辊直径参数中的一项或多项。

本发明方法通过计算机数值模拟，充分发挥了计算机数值模拟在仿真预测方面的优势，以实现复合板轧制过程中界面结合强度工艺参数的优化，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高了工作效率。

附图说明

图1a复合板轧制前的组柸模型；

图1b复合板轧制后的模型；

图2a不同轧制温度下界面法向正应力与材料流变应力；

图2b不同轧制温度下界面复合的临界单道次压下量；

图3a不同单道次压下量下界面法向正应力与材料流变应力比值；

图3b单道次压下量与完成复合所需道次数量关系曲线；

图4不同轧制速度下界面法向正应力与材料流变应力及其比值；

图5不同轧辊直径下界面法向正应力与材料流变应力；

图6不同压下率下轧制复合板表面随时间变化曲线；

图7不同轧制速度下复合板表面温度随时间变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

低碳钢Q345与不锈钢L316的硬度、强度、变形抗力等力学性能方面存在差异，轧制时板坯上下受力不对称，板材易向变形抗力大的金属一侧弯曲。因此复合板轧制时一般采用对称轧制（坯料组合呈对称性），即可保持良好的板型，又提高了生产效率。

不锈钢复合板对称轧制时的组坯方案主要有两种：内包覆ABBA（复层不锈钢在内层）和外包覆BAAB（复层不锈钢在外层）。本发明采用的是内包覆ABBA组坯方案。复合板的组柸模型（图1a），复合板轧制后的模型（图1b）。

所述的复合板轧制过程包括：首先将组柸好的复合板放入加热炉中加热至一定的温度，保持一定的时间；然后选择多道次轧制，每道次选择相应的压下量；最后对轧制后的复合板进行水冷，选择合适的冷却速度，保持一定的时间后进行空冷。将轧制后的复合板进行机械切割分离。

本发明基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，所述工艺参数控制方法方法对复合板轧制过程建模并进行有限元分析，综合分析轧制过程中的各个工艺参数，通过各个工艺参数的结合以实现复合板轧制过程中界面结合强度工艺参数的优化得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，所述的工艺参数具体包括：轧制力、轧制温度、压下量、轧制道数、轧制速度、轧辊直径；

所述方法具体步骤如下：

步骤1）获取复合板板层的物性参数：通过实验获取900~1300℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的物性参数；获取100~1150℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数膨胀系数；获取25~1500℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的传导率和比热。

准确的材料模型是正确进行有限元模拟分析的关键，不锈钢热轧复合过程总压下量很大，导致材料在变形过程中产生升温，同时由于接触换热和对流换热作用，表面温度降低，因此在进行有限元计算分析时，必须得到316L不锈钢和Q345R碳钢在高温下的变形抗力曲线和热膨胀系数曲线，其它热物性参数还包括杨氏模量、泊松比、热传导系数、比热等。运用Gleeble1500热模拟试验机对不锈钢和碳钢试件进行了压缩实验，根据实际轧制中不锈钢复合板的温度以及变形速率区间，每隔50℃设定一个实验温度测量点，共设定900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃等七个温度点。在每个温度点分别做0.1s-1、1s-1、和10s-1三种应变速率的实验工况。从而获得不锈钢和碳钢在不同温度和变形速率下流变应力曲线，从曲线上取点输入到abaqus塑性参数中。

利用DIL801热膨胀仪测试获得不锈钢316L和碳钢Q345R的热膨胀系数随温度变化曲线。根据在已知温度下的热物理参数和材料各元素成分比重，经软件JmatPro计算得到材料密度、比热、热导率、弹性模量、泊松比等热物理参数随温度变化关系曲线，将以上参数输入到abaqus的材料属性定义中。

步骤2）建立复合板和轧辊的几何模型：建模复合板为可变形体，轧辊为解析刚体，根据模型的对称性采用1/8模型进行计算，施加的相互作用为：表面热交换条件、表面辐射、轧辊与复合板表面接触；对复合板组柸模型进行分区，分区采用C3D8RT单元进行网格划分进，界面处网格密度较大。

不锈钢复合板模型进行了如下假设和简化：

(1)忽略板坯上、下表面传热和受力的差别，假设其传热和力学状态具有对称性；

(2)轧辊在高温热轧过程中弹性变形很小，将其定义为刚性；

(3)复合板中各层材料均假定为各向同性弹塑性材料；

(4)轧制环境温度为室温，取30℃。

由于板坯厚度较大而长宽方向尺寸较小，其几何建模过程中四周边条及焊接结构对轧制变形的影响不可忽略，采用C3D8RT单元对板坯进行网格划分，1/4简化轧制模型及板坯几何网格模型如图1a。

步骤3）将步骤1）中复合板板层的物性参数导入步骤2）的几何模型中。

步骤4）设定分析步中的场输出变量，用以确定复合板板层结合的条件：当板层接触界面上法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比大于1时界面发生粘合。

目前关于界面结合的判定准则主要包括两种：一种是应变结合准则，从轧制界面变形角度出发，要求组坯材料各自变形量达到或超过某一阈值，该值随着复合组元材料、加热温度、初始厚度及压下量等因素的变化而有所区别。一般通过试验方法近似确定临界压下率，其影响因素间的定量及耦合关系不易获得，同时对于大厚度不锈钢/碳钢复合板的多道次真空热轧复合过程，试验确定具体某个中间道次的界面结合情况成本较高。另一种是应力结合准则，从界面受力角度出发，通过计算复合界面上垂直压应力与较硬复层不锈钢材料变形抗力之比（在分析步中设置输出应力应变场后，可从abaqus计算结果中提取并计算界面处的应力和变形抗力），认为比值大于1时界面发生粘合。

步骤5）把影响结合的工艺参数设定为边界条件和载荷，计算分析后得到优选结果：向步骤3）的模型中带入轧制过程初始的工艺参数，求出法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比，满足步骤4）条件则得出优选结果，否则对工艺参数进行调整重新带入，所述工艺参数包括：轧制力参数、轧制温度参数、压下量参数、轧制道数参数、轧制速度参数和轧辊直径参数中的至少两项。

根据“金属粘结”的能量原理，金属接触界面上的原子会进行重新结合，进而形成原子间的结合键，从而使两金属在复合界面上结合为一体。结合界面上的结合点越多，结合键的结合力越大，从而使得最终的复合强度也越大。因此，金属层间接触状态的判断是一个关键问题，目前研究中尚无一个通用的方法。关于轧制复合的界面处理一般有两种分析模型，一种是轧制时复合界面伴随有滑移现象发生的模型，在基板和复板之间设置摩擦系数，允许产生相对滑动，该模型可计算轧制负荷、每种材料的压下率以及粘合面的剪切力，但由于没有考虑轧制过程中两种金属发生复合的情况，与实际金属变形有较大出入。另一种是粘合模型，认为在轧制前金属已复合，轧制过程不产生相对滑动，包括粘接和共节点两种方法，前者认为接触面上的节点不共用，后者在内外层接触面划分相同网格。该模型可得到轧制负荷、轧件温度、各层应变量以及粘合面垂直正压力等，本发明主要考虑不锈钢复合板的热轧变形和初始复合过程，不考虑层间金属剪切作用，因此采用共节点方法。

轧制过程的界面法向力：界面法向正压力沿宽度方向存在分布不均的现象，边部压应力小于板坯中部的压应力。压下量相同、压下率逐渐增大，其界面正压力峰值在逐渐增大。

轧制温度对界面结合的影响：根据复合板轧制的压下量，计算不同轧制温度界面正应力及材料流变应力，温度越高，界面法向正压力越小，不锈钢材料流变应力也越小，且正应力的减小量小于材料流变应力的下降值。如图2a，在压下量30%时，当加热温度升至1130℃及以上时界面实现结合，小于该温度值时界面未发生结合，说明增大轧制温度有利于双金属材料复合，同时有利于减小轧机设备负担。

不同温度下完成轧制界面复合所需单道次临界压下量，如图2b，在1000~1200℃范围内，温度每降低50℃，材料变形抗力增加约25MPa，而完成复合所需的临界压下量增加约2%。温度越低，温度降低时变形抗力增加量大，临界压下量增加值变大。

单道次压下量对结合面的影响：压下量是轧制复合过程的一个重要参数，对于复合板结合具有极其重要的作用，轧制变形量过低难以实现复合，而轧制变形量过大则易出现咬入困难，并对轧机设备提出较高要求。采用不同单道次压下量在1200℃轧制温度下界面正压力与不锈钢材料流变应力（图3a）。随着轧制压下量的增大，界面法向正应力逐渐增大，其增幅远大于材料流变应力变化值，说明采用较大压下量有利于轧制复合界面的快速结合。界面压应力与材料流变应力曲线交点，即实现界面良好结合的临界压下量。

多道次压下量对结合面的影响：由于轧制咬入以及轧辊强度和电机设备等因素的限制，单道次实现大厚度不锈钢/碳钢复合难度较大。利用多道次相对小压下量轧制过程实现界面复合，可以有效减小设备损耗并提高设备的安全使用性能。假设轧制复合过程各单道次的压下量相同，轧制温度1200℃时完成初始轧制复合时各单道次压下量与完成复合的所需道次数量之间的关系（图3b）。当单道次压下量大于28%即可完成界面的轧制复合。压下量取18.2~28%时，需要至少2道次完成轧制界面的初始复合，积累压下量36.4%。3道次实现复合需要最小单道次压下量13.5mm，积累压下量至少40.5%。

轧制速度对结合面的影响：根据压下量和轧辊直径，计算不同轧辊速度时轧制界面正压力和不锈钢材料变形抗力随时间变化曲线。图4为在相同压下量30%和轧辊直径750mm条件下的界面正压力和变形抗力随时间变化的曲线。界面轧制压力和材料变形抗力都随着轧制速度的增加而提高。在0.5~2m/s范围内，轧制速度每增加0.5m/s，界面压应力增加约3.6MPa，提高轧制速度有利于界面复合，然而界面正应力与材料流变应力比值变化较小，因此轧制速度对于界面初始轧制复合阶段影响较小。

轧辊直径对结合面的影响：根据压下量和轧辊速度，计算不同轧辊直径时轧制界面正压力和不锈钢材料变形抗力随时间变化曲线。图5为在压下量30%和轧制速度1.1m/s条件下，在取不同轧辊直径时轧制界面正压力和不锈钢材料变形抗力随时间变化曲线。轧辊直径取550mm，界面压应力为小于不锈钢316L在该条件下的流变应力。当轧辊直径增加到900mm，界面压应力为大于不锈钢316L在该条件下的流变应力，界面完成结合。在轧辊直径600到850mm范围内，轧辊直径每增加50mm，界面压应力增加约1.4MPa，轧辊直径超过725mm时完成结合。随着轧辊直径增加，界面轧制压力增大，而轧件变形速率随着减小，导致材料流变应力减小，从而压力与流变应力比值增加，有利于界面的结合。

所述的中试规格复合板轧制过程表面温度影响参数包括：轧制压下量与轧制速度。

轧制压下量对轧件温度的影响：图6为不同压下率下轧制复合板表面温度随时间变化曲线。压下率为5%时，轧件表面的温度在进入几何变形区后，温度持续下降，最低点温度为1100℃，出了几何变形区以后，表面温度稍有上升，为1130℃。当压下率为12.5%时，最低点温度降为1058℃，出了几何变形区以后，表面温度上升，达到1125℃。当压下率为20%时，最低点温度降为1025℃，出了几何变形区以后，表面温度上升至1121℃。当压下率为25%时，最低点温度降为1002℃，出了几何变形区以后，表面温度上升至1118℃。当压下率为30%时，最低点温度降为980℃，出了几何变形区以后，表面温度上升至1116℃。可以发现，压下率随表面最终温度的变化影响不显著，但对轧件的温度变化历程影响较大，压下率增大使得轧件表面的温降和温升过程变得更加激烈。

轧制速度对轧件温度的影响：轧制速度对复合板温度历程有重要影响，图7为轧制速度分别取0.8、1.1、1.5、2.0、2.5m/s时，轧件表面的温度-时间变化曲线。随着轧制速度的增加，表面温度在整个轧制过程中温降幅度减小，温度变化较平缓。轧制速度提高使得轧件与轧辊的接触时间缩短，接触传热减少。

本发明方法通过计算机数值模拟，充分发挥了计算机数值模拟在仿真预测方面的优势，以实现复合板轧制过程中界面结合强度工艺参数的优化，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高了工作效率。

Claims (7)

1.一种基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法，其特征在于，所述工艺参数控制方法方法对复合板轧制过程建模并进行有限元分析，综合分析轧制过程中的各个工艺参数得到优选结果，减少了通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗。

2.根据权利要求1所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤1）获取复合板板层的物性参数；

步骤2）建立复合板和轧辊的几何模型；

步骤3）将步骤1）中复合板板层的物性参数导入步骤2）的几何模型中；

步骤4）设定分析步中的场输出变量，用以确定复合板板层结合的条件；

步骤5）把影响结合的工艺参数设定为边界条件和载荷，计算分析后得到优选结果。

3.根据权利要求2所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述步骤1）具体为：获取900~1300℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数；获取100~1150℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的塑性参数膨胀系数；获取25~1500℃温度范围内低碳钢Q345与不锈钢L316的传导率和比热。

4.根据权利要求2所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述步骤2）具体为：建模复合板为可变形体，轧辊为解析刚体，根据模型的对称性采用1/8模型进行计算，施加的相互作用为：表面热交换条件、表面辐射、轧辊与复合板表面接触；对复合板组柸模型进行分区，分区采用C3D8RT单元进行网格划分进，界面处网格密度较大。

5.根据权利要求2所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述步骤4）具体为：当板层接触界面上法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比大于1时界面发生粘合。

6.根据权利要求2所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述步骤5）具体为：向步骤3）的模型中带入轧制过程初始的工艺参数，求出法向正应力与复层不锈钢材料变形抗力之比，满足步骤4）条件则得出优选结果，否则对工艺参数进行调整重新带入。

7.根据权利要求6所述工艺参数控制方法，其特征在于，所述工艺参数包括：轧制力参数、轧制温度参数、压下量参数、轧制道数参数、轧制速度参数和轧辊直径参数中至少两项。