基于正交设计的高强度钢矩形管热辊压工艺参数优化分析

吴俊源，韩静涛，王 宇，马晓燕

（1. 广西柳州钢铁集团有限公司技术中心，广西 柳州 545002；2. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；3. 欣诺冷弯型钢产业研究院（曹妃甸）有限公司，河北 唐山 063200）

引 言

随着汽车产量的稳定增长，汽车工业引发的能源、资源紧张以及环保问题也日趋严重［1-2］。以高强度钢为代表的轻量化材料的应用，可以有效降低车身重量，达到节能减排的目标［3-5］，是实现汽车轻量化的主要途径之一［6］。高强度钢矩形管作为客车车身骨架的主要结构件［7］，可以同时提升安全性能和燃油经济性。

高强度钢矩形管的主要成形工艺为辊压成形，然而，由于屈服强度的大幅提升，冷成形时面临诸多难题，比如回弹变形［8-9］、板带翘曲与褶皱［10-11］、裂纹缺陷［12-13］等。虽然通过合理控制工艺参数，可以显著改善成形质量，但角部冷作硬化效应严重［14］，强塑积降低是所有板带弯曲成形工艺的通病，这与强塑积不断提升的高强度钢发展趋势背道而驰［15］。此外，冷作硬化效应严重还会增大角部残余应力［16］，导致后续焊接过程中的开裂风险大幅提升。

近些年来，以热冲压为代表的高强度钢热成形技术广泛应用［17-19］，为传统冷成形工艺的发展提供了新的思路。国内外学者先后进行了热辊压成形工艺的相关试验研究。Lindgren 等［20］和Kim 等［21］以钢板为原材料，分别采用接触电阻加热技术和火焰加热技术，对板料待弯曲部位进行预加热，然后进行了多道次热辊压成形试验，改善了开口型材的回弹、开裂等质量缺陷。彭雪锋等［22］以高强度钢方管为原材料，采用感应加热技术，改善了角部力学性能，但研究中只考虑了单一工艺参数对实验结果的影响。

本文以高强度钢矩形管为原材料，选取三个主要工艺参数：轧辊孔型的压下量、电动机的电源频率和感应加热设备的振荡电流，基于正交设计完成热辊压成形试验。分别测试高强度钢矩形管平面和角部两位置的拉伸性能，基于极差分析和方差分析得到工艺参数的影响程度，并对工艺参数组合进行合理优化。

1 工艺流程

试验材料选用微合金高强大梁钢，牌号为QStE700TM，化学成分如表1所示。这种高强度钢主要用于商用车纵梁以及客车骨架的辊压或冲压成形。宝钢产品手册提供的数据表明，采用高强大梁钢替代传统大梁钢，减重率十分可观，轻量化效果显著。

表1 试验材料化学成分

以QStE700TM 带钢为原材料，采用“直接成方”辊压成形工艺，通过多道次辊压成形和高频焊接，得到高强度钢矩形管（预成形管）。之后以预成形管为原材料，进行热辊压成形，工艺流程如图1 所示。首先对预成形管的四个圆角区域进行局部感应加热，并通过PID 自动反馈系统保证所需的目标加热温度。之后矩形管进入辊压成形机组，在轧辊孔型作用下，外形尺寸不断减小。由于圆角区域与平面区域之间温度差导致的金属塑性变形能力差异，平面区域的金属逐渐流向圆角区域，促使圆角区域金属在三向压应力作用下热成形，从而改善力学性能。此外，热辊压成形过程中，还可以通过道次间的辊径差引起的速度差产生的轴向张力，结合角部余热，消除其成形过程中出现的翘曲、扭曲等冗余变形。

作为热辊压成形工艺的关键装置，局部感应加热线圈如图2 所示，主要组成包括铜管、导磁体和胶木固定板。其中，铜管为载流元件，材质为紫铜，表面安装导磁体，用于提高感应加热效率［24］。局部感应加热线圈入口和出口处均采用胶木板固定铜管形状，所有紧固件材质均为无磁不锈钢，避免在感应加热过程中出现升温现象，会导致感应加热效率的降低。

2 正交设计

正交设计是一种研究多因素、多水平的试验设计方法，尤其适用于因素个数和水平数均达到三个以上时的情形，可以实现以最少的试验次数达到与全面试验等效的结果，在降低试验成本的同时，大幅提升试验效率。

热辊压成形工艺中，工艺参数的选取主要考虑变形温度、变形程度和变形速度三个方面。其中，变形温度取决于感应加热设备振荡电流（简称为“振荡电流”）与成形速度的综合影响；变形程度主要取决于轧辊孔型的压下量（简称为“压下量”）；变形速度主要受成形速度的影响，而成形速度取决于电动机变频器的频率（简称为“电机频率”）和主动辊直径。

成形速度与电机频率、主动辊直径之间的关系如下所示：

式中v为高强度钢矩形管的成形速度，单位为m/min；f为三相异步电机的电机频率，单位为Hz；D为热辊压成形机组的主动辊直径，单位为m，本设备为0.32 m；S为三相异步电机的转差率，本设备为5 %；P为三相异步电机的极对数，本设备为4。

压下量的水平值分别为1，2 与3 mm；振荡电流的水平值分别为190，240 与290 A；电机频率的水平值分别为10，14 与18 Hz。本文采用L9（33）的正交试验设计，共计9 次试验，如表2 所示。

表2 L9（33）正交试验参数

3 结果分析

按照正交表完成9 组试验后，分别在每组矩形管试样的平面和角部，参照国标GB/T 228.1—2010，沿纵长方向切取拉伸试样，详细尺寸如图3所示。

在材料试验机上完成室温拉伸实验，统计抗拉强度和断后延伸率结果，并分别计算得到平面和角部强塑积结果，作为力学性能的综合评价指标。强塑积是钢的抗拉强度与断后延伸率的乘积，数值近似等于钢的拉伸曲线所包围的面积，表示钢在拉伸过程中所吸收的能量。高强度钢矩形管的强塑积越大，表明在车身发生碰撞时，可以吸收的冲击功越多，安全性能也就越好。

实验结果的分析主要采用极差分析法和方差分析法。在方差分析中，采用显著性水平P值评价工艺参数的影响程度。P值越小，说明影响程度越显著，P值与影响程度对应关系如表3 所示。

表3 显著性水平P 值判别表［25］

高强度钢矩形管角部拉伸实验结果如表4 所示。由表中数据可知，在热辊压成形之后，大多数矩形管的角部抗拉强度下降，延伸率上升。热辊压成形前，原材料的角部强塑积为12.9 GPa%。在热辊压成形之后，所有矩形管的角部强塑积出现不同幅度的上涨，最高增幅可达60 %，充分说明热辊压成形工艺可以提升矩形管的角部强韧性。

表4 角部拉伸实验结果

高强度钢矩形管的角部强塑积极差分析结果如表5 所示。由表中数据可以得知，压下量、振荡电流和电机频率三个工艺参数的极差分别为0.36，3.36 ，和3.69 GPa%。极差值最大的因素为电机频率，其次为振荡电流，最后为压下量。其中，振荡电流与电机频率极差值相差不大，而压下量的极差则相对较小，说明振荡电流和电机频率对角部强塑积的影响相近，并远高于压下量。

表5 角部强塑积极差分析

高强度钢矩形管的角部强塑积方差分析结果如表6 所示。从表6 的结果中可以看到，振荡电流与电机频率的显著性水平落在（0.1，0.25］区间内，说明对结果有一定影响；而压下量的显著水平值大于0.25，说明影响不显著。

表6 角部强塑积方差分析

高强度钢矩形管的角部强塑积主效应如图4 所示。由图中可以直观看出，各工艺参数对强塑积影响程度与极差分析一致，电机频率最大，振荡电流次之，最后为压下量。振荡电流的增加，可以有效提升加热功率，提高线圈出口处，矩形管角部的加热温度；电机频率的降低，会减慢成形速度，这意味着矩形管在感应加热线圈中停留更长的时间，同样也会提高矩形管离开线圈时的角部峰值温度。加热温度的提升有利于后续热加工过程中动态回复和再结晶效应的进行，从而提升强塑积。压下量对强塑积的影响很小，且随着压下量的增加，强塑积有所降低，这是因为压下量增大会促进加工硬化效应。

当压下量为1 mm，振荡电流为290 A，电机频率为10 Hz 时，矩形管角部强塑积最大，此时的参数组合为A1B3C1。

高强度钢矩形管的平面拉伸实验结果如表7 所示。可以看出，在热辊压成形之后，约半数矩形管的平面抗拉强度下降，而大多数矩形管的平面延伸率下降。热辊压成形前，原材料的平面强塑积为19.4 GPa%，在热辊压成形之后，绝大多数矩形管的平面强塑积轻微下降，这说明，热辊压成形工艺会降低矩形管的平面强韧性，所以需要合理选用工艺参数。

表7 平面拉伸实验结果

高强度钢矩形管的平面强塑积极差分析结果如表8 所示。由表中数据可以得知，压下量、振荡电流和电机频率三个工艺参数的极差分别为0.97，4.61，5.03 GPa%。电机频率的极差值最大，振荡电流次之，压下量最小，这表明，电机频率对平面强塑积的影响最大，振荡电流的影响略小于电机频率，而压下量的影响程度最小。

表8 平面强塑积极差分析

高强度钢矩形管的平面强塑积方差分析结果如表9 所示。由表中数据可知，振荡电流与电机频率的显著性水平落在（0.01，0.1］区间内，说明两者对平面强塑积的影响显著，尤其是电机频率；而压下量的显著水平值大于0.25，说明对平面强塑积的结果影响不显著。

表9 平面强塑积方差分析

高强度钢矩形管的平面强塑积主效应如图5 所示。由图中可以直观看出，各工艺参数对强塑积影响程度从大到小依次为，电机频率、振荡电流、压下量。如上所述，电机频率的降低和振荡电流的增加，可以有效提升角部加热温度，而平面温度由于温度热传导效应，也会随之增加，这将有利于强塑积的提升。但是由于矩形管的平面加热温度和塑性变形量都远低于角部，动态回复和再结晶效应会大幅降低，加工硬化效应则始终占据主导地位。压下量对强塑积的影响依旧很小，压下量的增大进一步增大了加工硬化效应，从而导致强塑积的降低。

当压下量为1 mm，振荡电流为290 A，电机频率为10 Hz 时，矩形管的平面强塑积最大，此时的参数组合为A1B3C1。

4 结 论

本文基于正交设计，对截面尺寸为50 mm×30 mm×2 mm 的高强度钢矩形管进行了热辊压成形试验。通过极差分析法和方差分析法研究电机频率、振荡电流和压下量三个主要工艺参数对高强度钢矩形管的角部和平面强塑积结果的影响，并根据主效应图给出最佳工艺参数组合。主要结论如下：

（1）在高强度钢矩形管的热辊压成形工艺中，电机频率和振荡电流对角部和平面强塑积的影响最大，压下量影响最小。电机频率和压下量降低，振荡电流增加有利于角部和平面强塑积的提升。

（2）热辊压成形过程中，高强度钢矩形管的角部动态回复和再结晶效应强于加工硬化效应，强塑积随着加热温度增大而提升；高强度钢矩形管的平面加工硬化效应占据主导，虽然强塑积有所提升，但相比于成形前会有轻微下降。

（3）当压下量为1 mm，振荡电流为290 A，电机频率为10 Hz 时，高强度钢矩形管的平面和角部强塑积均可达到最大值。