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摘要：文章对冷成型直缝焊接圆钢管弯制前的原料板材和弯制后的管材的力学性能变化进行了试验对比研究。
关键词：冷成型；钢管；钢板；力学性能
Abstract: Based on the changes of mechanical properties of cold forming of welded steel tube bending before the material sheet and bending pipe after compare test.
Keywords: cold forming steel; steel; mechanical properties
中图分类号：TG335.7文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
冷成型钢管是将板材经冷加工弯制成型焊接后的直缝焊接圆钢管，钢管上一般有一条或两条直焊缝。现今的冷加工工艺主要有在卷管机上将钢板沿轧制方向卷曲成型、在油压机上将钢板沿垂直于轧制方向以长压头渐进压制成型和在连续冷弯机上将钢带连续冷弯成型，然后在冷成型的基础上再焊接成钢管，笔者此次的研究对象为卷管和压管。
冷成型实质上就是在低于钢材再结晶温度下的弹塑性弯曲成型，冷弯成型时钢板产生的塑性变形较大，并伴随有加工硬化现象。所以钢材经冷作加工成型后，一般都有强度和硬度升高以及塑性和韧性降低的倾向。为此笔者选择在一定的径厚比条件下，进行板材冷加工制管前后的性能对比试验，从而掌握材料性能的变化规律。
1、试样制备
要研究板材经冷成型加工成管材后性能变化，则必须对钢管和用于制作该钢管的板材都进行性能测试，这样才具有可比性。为此根据GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，结合冷成型直缝焊接圆钢管的特殊性和对比试验的需要，对取样和制样作了具体规定：
(a)样坯在钢板中的位置 (b)试样在样坯中的位置(c)试样和样坯的相对位置和尺寸
图１钢板取样示意图（ｍｍ）
(1)在钢板上按图1(a)取样坯，并标记出钢板的哪一面为制管样坯的外表面；再按图1(b)和(c)在样坯上取拉伸试样和冲击试样。
（2）在钢管上取横向样坯和纵向样坯，然后在横向样坯和纵向样坯中分别取拉伸试样和冲击试样。
（3）在钢管中取的拉伸及冲击试样和在钢板中取的拉伸及冲击试样的形状和规格均相同。拉伸试样为圆形横截面比例试样，直径d0＝10mm，长度L0＝50mm，试样应符合GB/T 228-2002的规定；V型冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm
，应符合GB/T 229-2007的规定。
(4)制样数量如表3所示，特别需要说明的是每张钢板和每根钢管都按表3所示的数量制样；单张钢板上及该张钢板弯制成的钢管上制取的试样均为同一试验组别。
表３试样的数量
另外需要注意的是，钢管冷成型后，钢管外表面切向伸长和横截面发生畸变，外层属于拉伸区，内层属于受压区。钢管外表面的拉应力和拉应变高于受压区的拉应力和拉应变，而拉应力和拉应变不利于材料的塑形变形，因此钢管的取样位置应位于其外表面部位，从而使试验更具代表性。
2、试验结果及分析
钢板和钢管性能的测试结果可得出，以卷制或压制方法冷成型的圆钢管，其管材的力学性能与原料钢板相比，屈服强度和抗拉强度明显提高，塑性（断后伸长率）明显下降，其变化幅度与径厚比等因素有关，这是结构设计人员必须考虑的问题。
对试验数据整体分析可知，钢管成型后其屈强比不小于原料钢板的屈强比，有些屈强比数据已超过GB/T 19879-2005规定的≤0.85的要求，这表明一旦钢管承载超过屈服极限，抵御失效的能力就会下降。
冷成型后的钢管，无论是卷制或压制成型，钢管的横向冲击韧度均有较大幅度的降低，甚至下降50％以上。因此制管用的板材，如果其冲击韧度富余量大，制管后的冲击功还能达到原板材的标准要求，否则钢管横向冲击功将不符合规定，造成报废。
由于冷成型管材的弯曲变形主要集中在横向，而纵向取样的冲击数据较板材的有升有降，这与数据的离散性有关，也与制取的纵向试样整体塑性变形较小相关。
3、应力应变分析
按GB/T 232-1999进行金属材料弯曲试验时，冷弯试样受拉的外表面不但发生沿试样纵向的拉伸变形，同时也发生沿试样横向的收缩变形。横向收缩量随冷弯截面的宽度增加而减少，冷弯试样宽度越大，则纵向拉伸越难变形，而弯至同样的角度，因宽度越大，越不能受到横向补偿，越易产生裂纹等缺陷，越能敏感地反映出钢材塑性变形能力、各向异性程度和表面质量，这种现象称之为宽冷弯效应[2]。研究表明：当冷弯试样宽度为厚度的7倍以上时，试样横向收缩量除两外侧面以外，在中心区已接近零。
冷成型直缝焊接圆钢管的卷（压）制过程相当于金属材料弯曲试验的“宽冷弯”试验，其宽度为管长，但一般管长为管厚的数十倍，因而钢管长度方向的收缩非常微小，钢管继续加长其影响不会扩大，可以认为钢管纵向没有发生变形，但钢管径厚比对管材横向伸长的影响是十分明显的。冷成型加工时管材发生的局部塑性变形是很大的，表现出钢管表面的切向伸长和横截面的畸变，钢板经弯曲后对曲率半径来讲，外层属拉伸区，内层属压缩区。
从应力应变分析和试验结果可知，冷成型直缝焊接圆钢管的卷（压）制过程中，受拉区的拉应力和拉应變高于受压区的拉应力和拉应变。拉应力和拉应变不利于材料的塑性变形，而压应力和压应变有利于材料的塑性变形，钢管外层应是管材性能变化最明显的区域，最能反映出卷（压）制后有无裂纹和冶金缺陷[3]。因此冷成型直缝焊接圆钢管成品的检验应从钢管外侧近表面取样着重考查，不能以其原料钢板的力学性能简单代替冷成型直缝焊接圆钢管的力学性能。
4、结语
在冷成型直缝焊接圆钢管的生产过程中，弯制成型后管材的屈强比不小于原料板材的屈强比，且屈服强度和抗拉强度都有所增长；管材塑性降幅较大；管材的纵向冲击功变化不明显，横向冲击功有显著降低；因此冷成型直缝焊接圆钢管成品的检验应从钢管外侧近表面取样着重考查，钢管的力学性能不能以原料板材的力学性能代替。
参考文献：
[1]柴昶，文双玲，张圣华．建筑钢结构设计的相关技术标准 [M]．北京：建筑工业出版社，2005．
[2]高汉文，任颂赞．工厂理化测试手册 [M]．上海：上海科学技术出版社，1994．
[3]江苏沪宁钢机股份有限公司．经典建筑钢结构工程 [M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．
关键词：冷成型；钢管；钢板；力学性能
Abstract: Based on the changes of mechanical properties of cold forming of welded steel tube bending before the material sheet and bending pipe after compare test.
Keywords: cold forming steel; steel; mechanical properties
中图分类号：TG335.7文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
冷成型钢管是将板材经冷加工弯制成型焊接后的直缝焊接圆钢管，钢管上一般有一条或两条直焊缝。现今的冷加工工艺主要有在卷管机上将钢板沿轧制方向卷曲成型、在油压机上将钢板沿垂直于轧制方向以长压头渐进压制成型和在连续冷弯机上将钢带连续冷弯成型，然后在冷成型的基础上再焊接成钢管，笔者此次的研究对象为卷管和压管。
冷成型实质上就是在低于钢材再结晶温度下的弹塑性弯曲成型，冷弯成型时钢板产生的塑性变形较大，并伴随有加工硬化现象。所以钢材经冷作加工成型后，一般都有强度和硬度升高以及塑性和韧性降低的倾向。为此笔者选择在一定的径厚比条件下，进行板材冷加工制管前后的性能对比试验，从而掌握材料性能的变化规律。
1、试样制备
要研究板材经冷成型加工成管材后性能变化，则必须对钢管和用于制作该钢管的板材都进行性能测试，这样才具有可比性。为此根据GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，结合冷成型直缝焊接圆钢管的特殊性和对比试验的需要，对取样和制样作了具体规定：
(a)样坯在钢板中的位置 (b)试样在样坯中的位置(c)试样和样坯的相对位置和尺寸
图１钢板取样示意图（ｍｍ）
(1)在钢板上按图1(a)取样坯，并标记出钢板的哪一面为制管样坯的外表面；再按图1(b)和(c)在样坯上取拉伸试样和冲击试样。
（2）在钢管上取横向样坯和纵向样坯，然后在横向样坯和纵向样坯中分别取拉伸试样和冲击试样。
（3）在钢管中取的拉伸及冲击试样和在钢板中取的拉伸及冲击试样的形状和规格均相同。拉伸试样为圆形横截面比例试样，直径d0＝10mm，长度L0＝50mm，试样应符合GB/T 228-2002的规定；V型冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm
，应符合GB/T 229-2007的规定。
(4)制样数量如表3所示，特别需要说明的是每张钢板和每根钢管都按表3所示的数量制样；单张钢板上及该张钢板弯制成的钢管上制取的试样均为同一试验组别。
表３试样的数量
另外需要注意的是，钢管冷成型后，钢管外表面切向伸长和横截面发生畸变，外层属于拉伸区，内层属于受压区。钢管外表面的拉应力和拉应变高于受压区的拉应力和拉应变，而拉应力和拉应变不利于材料的塑形变形，因此钢管的取样位置应位于其外表面部位，从而使试验更具代表性。
2、试验结果及分析
钢板和钢管性能的测试结果可得出，以卷制或压制方法冷成型的圆钢管，其管材的力学性能与原料钢板相比，屈服强度和抗拉强度明显提高，塑性（断后伸长率）明显下降，其变化幅度与径厚比等因素有关，这是结构设计人员必须考虑的问题。
对试验数据整体分析可知，钢管成型后其屈强比不小于原料钢板的屈强比，有些屈强比数据已超过GB/T 19879-2005规定的≤0.85的要求，这表明一旦钢管承载超过屈服极限，抵御失效的能力就会下降。
冷成型后的钢管，无论是卷制或压制成型，钢管的横向冲击韧度均有较大幅度的降低，甚至下降50％以上。因此制管用的板材，如果其冲击韧度富余量大，制管后的冲击功还能达到原板材的标准要求，否则钢管横向冲击功将不符合规定，造成报废。
由于冷成型管材的弯曲变形主要集中在横向，而纵向取样的冲击数据较板材的有升有降，这与数据的离散性有关，也与制取的纵向试样整体塑性变形较小相关。
3、应力应变分析
按GB/T 232-1999进行金属材料弯曲试验时，冷弯试样受拉的外表面不但发生沿试样纵向的拉伸变形，同时也发生沿试样横向的收缩变形。横向收缩量随冷弯截面的宽度增加而减少，冷弯试样宽度越大，则纵向拉伸越难变形，而弯至同样的角度，因宽度越大，越不能受到横向补偿，越易产生裂纹等缺陷，越能敏感地反映出钢材塑性变形能力、各向异性程度和表面质量，这种现象称之为宽冷弯效应[2]。研究表明：当冷弯试样宽度为厚度的7倍以上时，试样横向收缩量除两外侧面以外，在中心区已接近零。
冷成型直缝焊接圆钢管的卷（压）制过程相当于金属材料弯曲试验的“宽冷弯”试验，其宽度为管长，但一般管长为管厚的数十倍，因而钢管长度方向的收缩非常微小，钢管继续加长其影响不会扩大，可以认为钢管纵向没有发生变形，但钢管径厚比对管材横向伸长的影响是十分明显的。冷成型加工时管材发生的局部塑性变形是很大的，表现出钢管表面的切向伸长和横截面的畸变，钢板经弯曲后对曲率半径来讲，外层属拉伸区，内层属压缩区。
从应力应变分析和试验结果可知，冷成型直缝焊接圆钢管的卷（压）制过程中，受拉区的拉应力和拉应變高于受压区的拉应力和拉应变。拉应力和拉应变不利于材料的塑性变形，而压应力和压应变有利于材料的塑性变形，钢管外层应是管材性能变化最明显的区域，最能反映出卷（压）制后有无裂纹和冶金缺陷[3]。因此冷成型直缝焊接圆钢管成品的检验应从钢管外侧近表面取样着重考查，不能以其原料钢板的力学性能简单代替冷成型直缝焊接圆钢管的力学性能。
4、结语
在冷成型直缝焊接圆钢管的生产过程中，弯制成型后管材的屈强比不小于原料板材的屈强比，且屈服强度和抗拉强度都有所增长；管材塑性降幅较大；管材的纵向冲击功变化不明显，横向冲击功有显著降低；因此冷成型直缝焊接圆钢管成品的检验应从钢管外侧近表面取样着重考查，钢管的力学性能不能以原料板材的力学性能代替。
参考文献：
[1]柴昶，文双玲，张圣华．建筑钢结构设计的相关技术标准 [M]．北京：建筑工业出版社，2005．
[2]高汉文，任颂赞．工厂理化测试手册 [M]．上海：上海科学技术出版社，1994．
[3]江苏沪宁钢机股份有限公司．经典建筑钢结构工程 [M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．