在全球能源危机、严峻的环境压力以及钢结构安全性设计要求提高的背景下，开发和应用先进高强钢，是当今钢铁行业的改革趋势，也是汽车工业、桥梁建设和基础建筑领域共同关注的主题。但高强钢在室温强度高、延展性差、屈强比大，对传统辊压工艺和设备来说是一场革命性的挑战。本文提出局部加热辊压成形工艺技术，即在辊压变形前，对其塑性形变区域加热到某一特定的温度，使其成形力降低，成形性能提高，从而解决高强钢引入辊压成形工艺所带来的难题，本文将从汽车用高强钢方管、桥梁用非等厚新型U肋以及基础建筑用高强度U型槽钢三个领域阐述局部加热辊压成形技术的应用。

   1前言

   随着国际石油资源的日益紧缺以及环保意识的不断提高，冶金、汽车、桥梁及建筑等行业越来越多地将注意力放在节能减排问题上，高强钢的开发以及在结构轻量化制造中的应用，正符合当代社会经济低碳、节能、安全、可持续发展的理念。实现这一理念的三大关键技术是：高强钢种类的开发和应用、结构轻量化设计及优化、新型制造及成形工艺技术的创新。高强钢在降低自身重量的同时可以保证甚至提高结构件的安全性能，以高强钢或超强高钢代替传统普碳钢，是未来工业的发展趋势。

   就行业发展态势而言，钢材深加工技术是中国钢铁产业度过“寒冬”的有效途径之一，其中辊压成形技术是通过对坯料连续进行弯曲变形，得到均一截面产品的钢材深加工技术，其工艺产品具备质量高、断面均匀、节能环保、能源消耗低和经济效益高等诸多优势，倍受汽车、桥梁、建筑等众多行业的青睐，也是我国钢铁行业今后重点发展的高附加值产品。

   2高强度成形技术难点

   尽管高强钢的应用越来越受到人们的关注，但是高强钢成形技术尚需深入研究。由于高强钢在室温下强度高、成形困难、成形过程的力学行为和微观组织变化更加复杂，使其在成形过程中对设备和工艺要求高；而且高强钢产生的回弹量较大且难预测，降低产品的尺寸精度；同时其屈强比高，即安全成形区域相对较小，变形圆角区域易产生韧性切向开裂。所以，采用传统辊压成形工艺生产高强钢或超高强钢产品难度很大或根本无法完成。

   3局部加热辊压成形技术

   局部加热辊压成形是一种新形热辊压成形技术，其原理是将辊压成形中受力巨大、金属变形剧烈的金属板材弯曲区域加热到某一温度，以降低材料的强度，提高金属塑性。该技术随着高强钢的不断发展应运而生，特别适合于强度高、延伸率低的高强钢的辊压成形，通过局部加热辊压成形，可以实现弯曲半径更小或非等厚截面产品的生产。

   瑞典学者M. Lindgren针对1600MPa冷轧高强钢设计了用于辊压成形的旋转局部加热装置，如图1所示，在旋转导电辊上通入电流，利用金属导电率，实现板带局部加热。通过实验研究，局部加热很大程度上提高了板料的成形性能。研究结果表明，经过6个道次逐步辊压变形的V形钢，在内弯曲半径0.4mm、弯曲120°无裂纹产生，而相应的无加热状态下仅弯曲到60°就产生裂纹。

   北方工业大学刘继英研发团队提出通过在辊压成形第一道次前面安装CO₂激光器及其辅助设备，原理示意图如图2所示。即在高强钢板料进入轧辊之前，对板材进行激光局部加热到特定温度，使其奥氏体化，板料的微观结构发生变化，屈服强度明显降低，而板料的塑性及成形性变好，延伸率升高，使高强钢板料较容易完成辊压成形，减小辊压成形力。当板料辊压成形完成后，进行淬火冷却，金相组织由奥氏体转化为高度细化的马氏体，板料弯角区得到强化硬化，使其成形后强度大幅度提高，可高达1500MPa。

   本文综合考虑了直接电阻加热技术在国内处于空白和操作安全性问题以及激光加热成本和加热区域不可控难题，提出了局部感应加热技术。可通过设计特定形状的感应线圈来实现板材或复杂形状的局部线性感应加热，其设计理念如图3所示。

   4高强钢局部加热辊压成形技术的应用

   4.1汽车用高强钢方管

   随着高强钢在汽车行业日益剧增的应用趋势，国内外汽车行业表现出了对高强钢迫切的需求。作为汽车主要结构件-方管，其主要制造工艺中，辊压成形工艺具有更高的成形能力，适合加工难变形的高强钢，对于高强钢来说，在辊压成形工艺中可以嵌入局部感应加热模块，可得到理想的辊压工艺产品。

   传统方管的辊压成形工艺主要有两种，一种工艺是直接成形，是指把带材分步直接弯曲，经过角部整形后焊接定径而成，简称为直接成方工艺；另一种工艺是先将板料成形为圆管，焊接后再通过整形将圆管成形为方管，简称为圆成方工艺。对于传统方管来说，圆成方工艺和直接成方工艺各具特点，可根据具体需要选择工艺。然而，对于高强钢方管而言，由于高强钢延伸率较低，所以直接成方工艺在产品延伸率方面的优势明显体现出来，但是直接成方工艺上圆角空弯带来的缺陷以及圆角减薄现象不可避免。

   本文集圆成方工艺和直接成方工艺优点，提出方成方成形工艺，其成形原理为：首先将高强钢板预弯成弯角半径较大的预成形方矩形管，在预成形方矩形管进入土耳其头精整工序前，对其四个弯角处进行局部加热，当角部达到一定温度后，成形力降低，成形性能提高；进入成形机架，使预成形方管辊压成理想目标产品，其原理示意图如图4所示。

   4.2桥梁用非等厚U肋

   随着世界桥梁的发展和钢结构技术的进步，正交异性钢箱梁结构以其高度低、自重轻、极限承载力大、易于加工制造且结构连续等特点，在大跨度桥梁中得到了普遍应用。正交异性桥面板主要由钢结构面板以及与其焊接的横梁、纵肋构成，其中纵肋主要为U肋结构。由于U肋能够提供较大的抗扭刚度和抗弯刚度，能够改善整个桥面板的受力状态，因此成为现代正交异性桥面板的最常用的截面形式。

   由于近些年交通车辆快速增长以及长期超载荷负重的影响下，我国已建成在使用的钢结构桥梁中，部分正交异性钢桥发现纵肋与桥面板的焊接处有不同程度的疲劳裂纹，其主要原因如下。

   1）由于U肋为闭口结构，在焊接时只能从单面施焊，普遍采用75%-85%的部分熔透焊，焊接面积较小，而留下15%-25%的未熔合部分。未熔合部分本身就形成一个天然的初始裂纹，成为疲劳裂缝源，在反复载荷作用下，导致桥面板与U肋焊缝处容易疲劳开裂。疲劳裂缝一旦产生就会降低桥面板的刚度，进而降低整个桥梁的寿命。

   2）U肋的顶部焊缝部分与U肋非焊接部分相比，其截面厚度减小，使得连接处有一定程度的偏心，焊接处偏心导致附加弯矩成形应力集中，从而诱发裂缝。疲劳裂缝产生以后，将降低桥面板刚度并直接导致桥面辅装损坏，反过来辅装损坏也会加剧桥面板的裂缝发展，加剧疲劳寿命的减小，国内很多钢箱梁桥面辅装破坏就是这个原因。

   为解决普通U肋与桥面板焊接面积小，结构设计不合理等问题，提出了一种非等厚新型U肋及局部加热辊压成形技术，解决了传统U肋与桥面板的焊接面积小、焊缝容易疲劳开裂等问题。所述技术原理为：原料选用传统冷弯工艺成形的预成形U肋，经送

   料机架送入感应加热装置，通过调整机构选择合适的加热区域，达到目标要求温度后，送入辊压成形装置。热辊压成形后得到的U型肋残余应力小，且增大了U肋与桥面板的焊接面积，提高了U肋与桥面板的连接强度和焊缝的抗疲劳性能（图5）。

   4.3建筑用高强U型槽钢

   目前我国已进入城镇化快速发展的时期，建筑工程市场规模的潜能巨大，各种城镇住宅、农村住宅以及公共建筑的建设量每年达20亿平方米。若能在建筑工程中充分应用高强钢，不仅能够减小构件的截面尺寸和自重，并且能够创造更大的建筑使用空间。

   辊压成形技术大批量生产建筑用钢不仅可以降低产品成本，而且可以获得所需的精度和很小的弯曲半径。目前，建筑用辊压型钢已被广泛用于建筑业中的屋架、桁架、钢架、檩条、平台、楼梯、墙架、龙骨、楼板、墙板、门窗以及管道、围堰、钢板桩等。建筑用辊压型钢的特点是：

   1）由于许多建筑用辊压型钢在使用过程中需要相互装配，因而对产品的精度，特别是通长均匀性要求较高；

   2）由于大多数建筑用辊压型钢使用时表面暴露在外，因此摩擦或压力过大造成的表面擦伤和凹陷必须保持在更小的范围内；

   3）尖角弯曲也是建筑用辊压型钢的独特之处，其便于装配，外形美观，连接处节约焊料等，在建筑用辊压型钢中得到了广泛的应用。

   目前，高强钢槽钢在辊压成形过程中出现各种扭曲、翘曲等缺陷。针对成形高强钢近尖角型U型槽钢弯角部位出现开裂现象或较大的回弹和残余应力，本文提出的近尖角型U型槽钢线性加热系统，很好地解决了以上缺陷问题，并结合余热矫直系统，即通过两个道次间的辊径差产生的速度差以及利用余热，使得在方矩形管两端受到高于材料屈服强度、低于材料抗拉强度的热张力作用，消除扭曲、翘曲等冗余形变，如图6所示。

   5结语

   本文针对高强钢引入辊压成形工艺所带来的难题以及高强钢成形后的产品缺陷问题，提出了高强钢局部感应加热辊压成形工艺，解决了高强钢强度高、延伸率低、回弹大等成形缺陷，为高强钢零部件的成形提出了有效途径；有效利用了感应加热的尖角效应和邻近效应，开发了三个高强钢产品热辊压技术模块，得到了小半径圆角的弯曲成形、近尖角型槽钢成形和非等厚U肋的热辊压成形技术。局部加热辊压成形技术实现了高强钢在汽车、桥梁和基础建筑领域的应用，具有深刻意义。

   （彭雪锋 韩静涛）