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稀有金属 2019,43(01),38-43 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18030001

外方内圆铜管连续挤压数值模拟与实验研究

郭振华 裴久杨 樊志新 宋宝韫

大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心

大连康丰科技有限公司

摘 要：

外方内圆铜管是制造水冷电机线圈的关键材料, 但是采用现有工艺生产这类产品, 存在加工难度大、工序复杂、加工成本高、产品长度短等缺点, 不能满足市场的需求。采用连续挤压技术, 对14 mm×14 mm-Φ8.5 mm外方内圆铜管的连续挤压成型过程进行了数值模拟和实验研究, 数值模拟结果表明:焊合面上的温度分布在600～711℃之间, 大部分区域的静水压力分布在300～500 MPa之间, 模具出口处的温度、速度分布均匀。实验结果表明:铜管成型良好, 焊缝的结合强度达到母材的98%;焊合区域较非焊合区域晶粒尺寸小, 没有明显焊缝存在, 结合区域的横向断口内存在大量韧窝, 断裂形式为韧性断裂。研究结果证明了外方内圆铜管续挤压工艺的可行性和有限元模型的准确性。

关键词：

连续挤压;空心铜导线;数值模拟;挤压焊缝;

中图分类号： TG379

作者简介：郭振华 (1989-) , 男, 宁夏固原人, 硕士研究生, 研究方向:连续挤压理论与技术, E-mail:384194268@qq.com;*樊志新, 教授;电话:13942694096;E-mail:fanzx@konform.cn;

收稿日期：2018-03-02

基金：国家自然科学基金项目 (51505056);辽宁省教育厅项目 (L2014184) 资助;

FEM Simulation and Experimental Study on Continuous Extrusion Process for Copper Tube with Outer Square and Inner Circle

Guo Zhenhua Pei Jiuyang Fan Zhixin Song Baoyun

Engineering Research Center of Continuous Extrusion of Ministry of Education, Dalian Jiaotong University

Dalian Konform Technology Company LTD

Abstract：

Copper tube with outer square and inner circle is key material in large generator and electron accelerator manufacturing, which could not meet the demand of the market, because of complex and difficult processing, short product length and high cost in traditional process. In this paper, the continuous extrusion technology was employed, the continuous extrusion process of 14 mm×14 mm-Φ8.5 mm copper tube with outer square and inner circle was studied by numerical simulation and experiment, results showed that when the temperature on weld surface was between 600～711 ℃, the pressure distributed between 300～500 MPa, the velocity and temperature on the profile at the outlet of the die were uniform. The continuous extrusion experiment of 14 mm×14 mm-Φ8.5 mm copper tube with outer square was conducted and the product properties were tested, the results showed that the copper tube formed well, the bonding strength of the welding zone reached 98% as that of the parent metal; the welded area had small grain size, and there were no obvious weld seam observed; the fracture mode of welding area was ductile fracture which was full of dimples. The feasibility of continuous extrusion process and the accuracy of the Finite element method (FEM) model were proved by the results.

Keyword：

continuous extrusion; hollow copper conductors; numerical simulation; weld seam;

Received： 2018-03-02

外方内圆铜管是空心铜导线管的一种, 具有导电截面大、 单位时间通过冷却介质流量多、 散热性能好等特点, 常被用在原子能加速器及发电机线圈上。 目前较多采用挤压拉伸法生产空心铜导线管, 采用这种工艺, 常出现挤制管坯的内径、 壁厚、 壁厚不均及扭拧等问题, 并且要求异型挤压模及拉伸模生产成本高 ^[1,2,3,4,5] , 当铜管长度要求很长时, 很难达到, 一根500 m长的导线管就需要多根铜管焊接在一起 ^[6] 。 该工艺从原材料到产品需要多道次拉拔、 酸洗、 退火, 加工难度大、 生产工序多, 导致加工成本居高不下, 这些技术瓶颈严重阻碍了这类产品的大范围推广和应用。

连续挤压技术是20世纪70年代在国际上提出的一种塑性加工新方法。 与传统挤压方法相比, 具有节能、 材料利用率高、 自动化生产、 可制造大长度产品、 占地面积小、 节约劳动成本等优点, 被广泛应用于有色金属工业界, 尤其是铜、 铝及其合金制造领域, 并相继淘汰了许多传统工艺 ^[7,8,9,10] 。 目前连续挤压技术在纯铜方面的应用主要以生产实心线材、 型材和铜板带为主, 对于空心铜管材连续挤压的研究还处在起步阶段, 没有成熟的理论和生产工艺 ^[11,12,13] 。

本文基于自主开发的连续挤压机及工装模具, 采用数值模拟与实验研究相结合的方法, 对14 mm×14 mm-Φ8.5 mm外方内圆铜管的连续挤压成型过程进行仿真, 分析了成型过程中的温度、 速度、 应力、 应变分布; 进行了外方内圆铜管连续挤压实验, 对所得铜管进行了力学性能检测、 焊缝微观组织观察和断口形貌分析; 对有限元模型进行了验证。

1 初始条件

1.1有限元模型

铜管连续挤压工艺原理和模具结构如图1所示, 采用三维CAD 软件Inventor建立了挤压工模具的三维模型, 应用数值模拟软件建立铜管连续挤压成型过程中变形金属的模型。

图1 铜管连续挤压原理及模具结构

Fig.1 Principle of continuous extrusion of copper tube and mold structure

坯料采用无氧铜杆, 选用下列公式所示本构方程来描述纯铜变形时的流动应力, 式中n为应变硬化指数, n值通常介于0～1之间, 对于理想的弹性体, n=1; 对于理想的塑性体n=0 ^[14] , 本次模拟采用刚塑性模型, 则n值为0。 材料模型参数来源于模拟软件材料库中, 如表1所示。

σ=[Y(Τ)+(ε+ε0)n(˙ε+˙ε0)mC(Τ)]αΤ???(1)

式中C (T) 为应力变化幅值 (Pa) ; m为应变速率指数; n为应变指数; T为温度 (K) ; Y (T) 为屈服强度 (Pa) ; α_T为温度影响系数; ε为应变; ε₀为应变偏量; ˙ε 为应变速率; ˙ε ₀为应变速率偏量; σ为流动应力 (Pa) 。

不同温度下铜的屈服应力Y (T) 值, 如表2所示。

模型建立成功后, 对模型进行网格划分, 其有限元网格模型如图2所示。

边界条件参数设置如表3所示。

连续挤压过程在进入稳定生产状态后, 挤压轮槽表面挂了一层铜, 因此挤压轮与坯料之间的摩擦实际上已经是铜与铜之间的摩擦, 成形中的摩擦属于干摩擦, 并且在连续挤压过程中发生剧烈的剪切变形 ^[15,16] , 所以坯料与腔体、 模具之间的摩擦类型定义为剪切摩擦。

表1纯铜材料模型参数

Table 1Constitutive parameters of copper

Parameter	Value
C (T) /Pa	5.46198×107
m	0.125872
n	0
ε0/s-1	0.0001
ε0/s-1	0.0001

表2不同温度下铜的屈服应力

Table 2Yield stress of copper at different temperatures

T/℃	500	550	600	650	700	750	800	850	900
Y (T) /MPa	58.8	53.9	49.0	43.1	37.2	31.4	25.5	19.6	17.6

图2 铜管连续挤压网格模型

Fig.2 Mesh model of copper tube continuous extrusion

表3边界条件

Table 3Boundary condition

Parameter	Numerical value
Temperature of billet/℃	20
Wheel groove area/℃	150
Preheating temperature of chamber/℃	500
Preheating temperature of die/℃	500
Extrusion wheel velocity/ (r·min-1)	5
Convection heat transfer/ (W· (m2·℃) -1)	3000
Coefficient of coulomb frication	0.3

1.2设备及条件

1.2.1 微观组织观察 (1) 显微组织观察: 对试样进行打磨, 抛光后, 用FeNO₃酒精溶液腐蚀试样, 采用OLYMPUS-BX41M金相显微镜 (OM) 观察微观组织。 (2) 断口形貌观察: 采用电镜型号为SUPRA 55场发射扫描电镜 (SEM) 对断口进行观察。

1.2.2 力学性能测试 力学实验借助于AG-IC100KN岛津密电子万能试验机在常温下进行拉伸试验。

2 模拟结果与讨论

2.1温度分布

图3 (a) 所示为焊合面上的温度分布, 从图3中可以看出, 坯料刚进入焊合室时温度达到600 ℃, 沿着挤出方向逐渐升高, 在模具出口处的温度最高, 分布在689～711 ℃之间。 图3 (b) 所示为模具出口处的温度分布, 从图3中可以看出, 在金属汇合形成的挤压焊缝区域温度较其他部位温度高, 焊缝区域的温度在702～706 ℃之间, 其它区域温度分布在694～702 ℃之间, 且上焊缝的高温区域大于下焊缝, 整个截面上温度差很小, 在12 ℃之内。

图3 焊合面和模具出口处的温度分布

Fig.3 Temperature distribution on welding surface and die exit (a) Welding surface; (b) Die exit

2.2压力分布

在铜管连续挤压过程中, 铜和模具接触面上压力的大小对模具的寿命有重大影响, 同时焊合面上的压力大小还决定着铜管的性能。 图4 (a) 所示为焊合面上净水压力分布, 从图4中可以看出沿着金属挤出的方向, 压力逐渐降低, 在金属初始汇合区净水压力最高, 达到500 MPa; 在模具出口处压力为0。 图4 (b) 所示为焊合面上的等效应力分布, 从图4中可以看出等效应力沿挤出方向逐渐增大, 在接近模具出口附近的等效应力最大, 分布在97～121 MPa之间, 经过定径带之后, 等效应力减小为0。

2.3速度分布

在连续挤压过程中金属流动速度的均匀性特别是在模具出口处的流动均匀性, 对挤压产品的形状和尺寸精度有重要的影响。 图5 (a) 所示为焊合面上金属流动速度分布, 从图5中可以看出在焊合面上存在流动速度较低的区域, 速度分布在0～1 mm·s^-1之间, 可视该区域为金属流动的死区; 随着金属向模具出口方向的流动, 速度逐渐升高。

图4 焊合面上应力分布

Fig.4 Stress distribution on welding surface (a) Hydrostatic pressure; (b) Effective stress

图5 焊合面和模具出口处的速度分布

Fig.5 Velocity distribution on welding surface and die exit (a) Welding surface; (b) Die exit

在模具出口处达到最大, 分布在100～150 mm·s^-1之间。 图5 (b) 所示为模具出口处与挤压方向垂直截面上的速度分布, 可以看出在模具出口处金属流动的最高速度为139.5 mm·s^-1, 最低速度为139 mm·s^-1, 速度差仅为0.5 mm·s^-1, 流速均匀。

3 实验结果与讨论

3.1实验过程

为了验证模拟分析的可靠性, 并进一步分析连续挤压铜管的焊合性能, 采用与数值模拟相同的工装结构和工艺参数, 基于TLJ400型连续挤压机, 以上引连铸铜杆为坯料, 挤出边长14 mm, 内孔直径为8.5 mm的外方内圆空心铜导线管。 如图6所示: 通过尺寸检查, 铜管成型效果很好, 表明模具出口处金属流动均匀, 与数值模拟结果一致, 验证了所建有限元模型的准确性。

3.2力学性能

为了比较焊合区域的结合强度与母材的差别, 分别加工了如图7中所示的母材剪切强度检测试样和焊合区剪切强度检测试样。

图8所示为试样拉伸时的载荷行程曲线, 通过计算得到如表4所示的焊缝剪切强度与母材剪切强度, 母材平均剪切强度为116 MPa, 挤压焊缝的平均剪切强度为114 MPa, 到达母材的98%, 焊合质量很好。

3.3微观组织

图9 (a) 所示为焊缝的金相组织, 从图9中可以看出焊合区域没有明显焊缝存在, 在结合区晶粒细小, 表明该区域金属变形剧烈。 图9 (b) 所示为沿与焊合面垂直方向拉断后的断口形貌, 从图9中可以看出断口处存在的韧窝较大并且数量多, 分布均匀, 韧窝边缘的撕裂棱突出、 明显, 可以判断断裂方式为韧性断裂, 表明焊合区域结合良好。

图6 连续挤压铜管

Fig.6 Copper tube made by continuous extrusion

图7 拉伸试样

Fig.7 Tensile sample (mm)

图8 母材和焊缝处拉伸载荷行程曲线

Fig.8 Tensile load travel curve of base metal and weld seam

表4铜管力学性能数据

Table 4Mechanical property of copper tube

	Mechanical property	Sample 1	Sample 2	Average
Base	Max load/kN	3.3	3.08	3.19
metal	Shear strength/MPa	120	112	116
Weld	Max load/kN	3.2	3.07	3.14
metal	Shear strength/MPa	116.4	111.6	114

图9 焊缝微观组织

Fig.9 Microstructure of weld zone

(a) Metallographic structure of welding zone; (b) Fracture morphology of weld zone

4 结 论

1. 采用连续挤压工艺, 在挤压轮转速为5 r·min^-1, 腔体预热温度为500 ℃的条件下, 挤出了14 mm×14 mm-Φ8.5 mm的外方内圆铜管, 铜管成型良好, 焊合区域的平均剪切强度达到114 MPa, 达到母材的98%, 证明了该工艺的可行性。

2. 焊合区域较非焊合区域晶粒尺寸小, 没有明显焊缝存在, 结合区域的横向断口处存在大量韧窝, 断裂形式为韧性断裂。

3. 当焊合面上的温度分布在600～711 ℃之间, 静水压力分布在300～500 MPa之间时, 纯铜之间形成良好结合, 铜管的焊缝强度与母材接近。

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