高强高韧铝合金厚板是现代航空、航天、船舶制造及交通运输等领域必不可少的重要结构材料[1]。如7xxx系高强铝合金是生产高性能铝合金预拉伸板的主要材料，在材料热轧成形过程中，变形量超过80%才能保证厚板中心变形充分，完全从铸造组织转化为加工组织，从而增强板材的整体性能[2]。但是受现有轧机开口度及坯料原始厚度的限制，目前普遍采用的同步轧制很难使坯料达到80%的变形量，造成轧板表面和中心的变形、组织和性能的不均一，产品残余应力过高等问题，严重影响板材使用寿命和安全性。
为了在不增加总压下量的前提下达到提高板材总变形率，铝合金加工厂家探索了新型的异步轧制方法，通过在轧制过程中保持上、下轧辊的表面线速度不同，使变形区内形成“搓轧区”，达到增加芯部变形目的。但由于异步轧制过程中轧件上下端面的变形量不相同，在应力的作用下轧制完成后轧件会在出口侧出现翘曲的现象，翘曲严重时会影响轧板进入下一轧制道次，甚至会损坏轧机[3-7]。2001年，荷兰Corus研究中心提出了蛇形轧制方法，其实现方式是将异步轧机的慢速一侧轧辊在轧制方向上向出口方向进行一定量的错位，有助于减小轧板的弯曲[8]。蛇形轧制为加工超大厚度铝合金预拉伸提供了新思路，然而蛇形轧制是一种典型的非均匀塑性变形过程，变形过程中各种条件都会对板材的组织和性能造成影响。为了优化蛇形轧制工艺精确控制板材的组织和性能，需要通过数值模拟研究蛇行轧制过程中轧板不同位置金属的流动变形规律。
1 蛇形轧制工艺
如图1所示为蛇形轧制工艺示意图，蛇形轧制与同步轧制相比，其主要区别在于蛇形轧制过程中，上、下轧辊转速不同(Vm < Vk)，且与异步轧制相比，慢速侧轧辊中心向轧制出口方向有一定的错位量S。
图1蛇形轧制示意图
Fig.1 Schetch map of snake rolling
由于蛇形轧制过程中轧辊线速度不同，上、下轧辊的中性点位置向不同方向移动，快速轧辊的中性点向出口方向移动，慢速轧辊的中性点向入口方向移动。这样就在上、下轧辊中性点之间的变形区内形成一个上、下表面摩擦力方向相反的“搓轧区”。“搓轧区”使变形区中的应力状态发生了改变，变形区除了在竖直方向承受压缩应力，同时还在水平方向上承受剪切应力，使得板材同时产生压缩应变和剪切应变。剪切应变有助于将变形向板材中心深入，同时增加板材的总变形量，改善轧板组织均匀性。错位量S将会对轧板施加一个与轧板弯曲方向相反的作用力，有助于减小轧板的弯曲。与异步轧制相比，蛇形轧制具备异步轧制降低轧制压力、增加了剪切变形、提高轧制精度的优点，同时还能克服异步轧制在厚板生产中轧板弯曲严重的难题。因此，新型的蛇形轧制技术从理论上分析可解决超大厚度高强高韧铝合金预拉伸板轧制的难题，并可用于改进其它用途的厚板、超厚板的轧制工艺。
2蛇形轧制过程有限元模型的建立
铝合金厚板蛇形轧制过程金属的流动变形可以简化为平面应变，为了节省计算时间，有限元模型采用二维计算模型。采用刚塑性有限元法，在计算过程中忽略上、下轧辊和轧板的弹性变形，考虑轧板变形和传热的耦合影响。
铝合金热轧过程中轧板的换热主要有三种形式，分别为：对流换热、辐射换热和接触传热。轧板与环境气体之间的换热为对流换热;轧板与未与轧板接触的轧辊及轧机其它部分之间的换热为辐射换热;接触传热主要发生在上、下轧辊与轧板的接触区域之间。在模拟计算中分别通过施加相应的传热系数来计算轧板的传热过程。
金属的流变应力反映了金属发生塑性变形时所需要的负荷，受到变形温度、变形程度、应变速率等因素的影响。建立材料的流变应力数学模型是对轧制过程进行准确模拟的前提条件。在高强高韧铝合金蛇形轧制中采用的铝合金材料为7150铝合金，其流变应力采用双曲正弦函数来描述[9]，通过不同温度、应变速率下的单道次等温压缩实验结果回归出函数中的常数，从而建立7150铝合金的流变应力模型。
3 蛇形轧制过程中金属的变形流动分析
轧制时轧件内金属质点的除了发生塑性变形流动外，还受到旋转轧辊的机械运动的影响，即轧制时金属质点的流动速度是上述两种运动速度的合成。蛇形轧制过程中，由于上、下轧辊速度不同，其轧板中金属质点的流动也有自身的特点。
图2所示为数值模拟所获得的同步轧制和蛇形轧制中在轧板厚度方向上的速度分布云图。从图中可以看出，同步轧制过程中轧板上、下侧金属的流动速度沿轧板中心线呈对称分布;变形区内在轧板中心线附近的金属流动速度最小，轧板上、下表面的金属流动速度较快;并且轧板变形区后的速度最大，未变形区的金属流动速度最小。蛇形轧制过程中，变形区内轧板金属流动速度由下至上速度逐渐减小，在变形区后的金属流动速度同样是由下至上逐渐减小。
图2 轧制过程中金属质点速度云图 (a)同步轧制;(b)蛇形轧制
Fig.2 Metal flow velocity during rolling process
在同步轧制过程中轧，板表面金属质点流动速度等于轧辊线速度的竖直截面为中性面。中性面之后的区域为后滑区，中性面之前的区域为前滑区。在蛇形轧制中，轧板上表面与上轧辊线速度相同的金属质点和轧板下表面与下轧辊线速度相同的金属质点之间的区域为搓轧区，在搓轧区之后的区域为后滑区，在搓轧区之前的区域为前滑区。
在图2(a)中，在轧板表面的B1、B2的流动速度为1600mm/s，与轧辊线速度相同，即B1、B2分别为上、下轧辊的中性点，则B1-B2截面为中性面，中性面之前的区域为前滑区，之后的区域为后滑区。在距离B1-B2截面之前和之后45mm分别取竖直截面C1-C2和A1-A2，C1-C2和A1-A2分别处在变形区的前滑区和后滑区。在图2(b)中，B1-B2截面距上轧辊竖直中心线的距离与2(a)中B1-B2截面距上轧辊竖直中心线的距离相等，A1-A2、和C1-C2截面同样与B1-B2截面的距离为45mm。图2(b)中的A1-A2、B1-B2和C1-C2分别对应于蛇形轧制的后滑区、搓轧区和前滑区。将不同截面上金属质点流动速度作于坐标系中进行对比，分别如图3、图4和图5所示。
图3所示为同步轧制和蛇形轧制在A1-A2截面上的金属流动速度。可见，在后滑区内金属质点的流动速度都小于轧辊的线速度。在同步轧制中，轧板上、下部分的金属流动速度呈对称分布，轧板中心线附近速度最快，轧板两侧表面以下30mm处金属质点流动速度最快，轧板表面由于受到轧辊摩擦力的限制金属质点流动速度比表面以下位置小。在蛇形轧制中，轧板下侧的金属流动速度要远高于同步轧制，达到了1820mm/s，而在轧板中部及轧板下侧金属流动速度略高于同步轧制。
图3 A1-A2金属流动速度 (a)同步轧制;(b)蛇形轧制
Fig.3 Metal flow velocity along the A1-A2 direction
图4所示为B1-B2截面上金属质点的流动速度曲线。同步轧制在中性面上的金属流动速度分布规律为，除了轧板上、下侧表面由于受到摩擦力的限制流动速度较慢外，其它位置的流动速度都较快，并且轧板中心的金属流动速度最高，靠近轧板两侧的位置金属流动速度也较高，而在靠近轧板两侧到轧板中心的范围内的金属流动速度则比较低，但同样高于轧板上、下侧的金属流动速度。蛇形轧制在B1-B2截面上轧板下侧表面附近金属流动速度最大，达到了1835mm/s，轧板上侧表面金属流动速度最慢，为1714mm/s。轧板上、下侧表面金属流动速度差达到了121mm/s。
图4 B1-B2金属流动速度 (a)同步轧制;(b)蛇形轧制
Fig.4 Metal flow velocity along the B1-B2 direction
图5所示为C1-C2截面上金属流动速度曲线。同步轧制在前滑区的金属流动速度分布曲线呈“M”形状。轧板表面由于受到轧板摩擦力的作用因而金属流动速度最低，轧板表面附近的金属流动速度较高，而轧板中心的金属流动速度也较低。蛇行轧制在前滑区金属的流动速度沿轧板从下至上的方向逐渐减小。金属在轧板下表面的流动速度最大为1867mm/s，而在轧板下表面金属流动速度最小为1761mm/s。
图5 C1-C2金属流动速度 (a)同步轧制;(b)蛇形轧制
Fig.5 Metal flow velocity along the C1-C2 direction
4结语
从同步轧制和蛇形轧制在不同截面的金属流动速度对比分析可以获得，同步轧制轧板上、下部分金属流动速度沿轧板中心线呈对称分布，在后滑区轧板中心金属流动速度最小，而在中性面和前滑区轧板上、下表面的金属流动速度最小。蛇形轧制过程中，在轧板不同截面上轧板上、下部分金属流动速度沿轧板中心线呈不对称分布，轧板下侧金属流动速度均高于轧板上侧，除了在后滑区轧板中心位置金属流动速度最慢外，在搓轧区及前滑区轧板上侧金属流动速度慢。
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[9]Sellars C. M., Mctegart W. J. On the mechanism of hot deformation[J]. Acta Metallurgica, 1966, 14: 1136-1138
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“铝合金厚板蛇形轧制变形规律的研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京有色金属研究总院、有色金属材料制备加工国家重点实验室
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