CN101737565B - 一种制造铜铝复合管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造铜铝复合管的方法，属于金属复合管制造技术领域。其特征在于包括：A、准备内管和包覆带；B、对所述内管和包覆带进行表面清理；C、将经表面清理后的所述包覆带包覆在经表面清理后的所述内管的表面，再进行纵向包覆焊接，制得铜铝复合管坯；D、对所述铜铝复合管坯进行直线拉拔，且直线拉拔后无张力收卷；E、成品退火；F、缠绕收卷、制得成品，等工艺步骤来制造铜铝复合管。本发明可以用来制造铜包铝管，铝包铜管和内外层为铜中间为铝的铜铝复合管，铜铝之间可以达到牢固的冶金结合。
Description
技术领域：
本发明涉及金属复合管的加工技术，尤其是涉及冶金结合界面铜铝复合管的加工方法。
背景技术
如图1所示，铜铝复合管有多种形式，一般为以下三种方式：
1、铜在外，铝在内，铜包铝管。
2、铝在外，铜在内，铝包铜管。
3、铜在内外，铝在中间。
一般来说，铝在内外、铜在中间的复合管实践中是不用的，因为其性能上与纯粹的铝管没有太大的区别，相反加工成本还高。其中，铜包铝管可用作空调配管，连接管，弯头等。也可被用作射频电缆的内导体，在被用作内导体时，铜包铝管外表面的铜具有良好的导电性，高频信号的趋肤效应可以保证信号在外表面的铜层内传输，内壁的铝管仅起支撑的作用。铝包铜管可以用作空调热交换器用传热管和空调配管、空调连接管等。管内的铜层具有良好的耐腐蚀性，而被用作传递流体，外层的铝管与大气接触，这种管材具有良好的传热性能。内外层为铜，中间为铝的铜铝复合管，可用作空调配管，连接管。该管种在耐腐蚀性和外观方面与铜管相当，是最接近铜管的一种铜铝复合管。
铜铝两种金属均为热的良导体，但两者的机械性能差距很大，铜的比重为8.9，熔点为1083℃，铝的比重为2.7，熔点为660℃，与铝相比，铜的抗拉强度和延伸率高、塑性好，而纯铝的硬度低。因此，这两种金属以上性能的差距使得加工该两种金属的复合管材有较大的难度，尤其是加工使该两种金属在界面上达到冶金结合的铜铝复合管的生产方法，难度更大。
铜铝复合管界面的冶金结合非常重要，因为在使用中要对管材进行弯管和涨管等后续加工，冶金结合的界面可以保证在这种加工过程中不会产生铜铝界面的脱离和破损。另外，达不到冶金结合的铜铝复合管在退火过程中会产生起泡的现象，这种现象也是一种铜铝界面的脱离，任何铜铝界面的脱离都会影响产品的品质，都会产生严重的质量事故。
中国专利(申请号：200610076037.8)《一种铜铝复合管材的制造方法及该方法制造的铜铝复合管材》公布了一种制造铜铝复合铜管的制造方法，即采用行星轧管机对事先处理好的铝包铜管坯进行大压下量的轧制，单道次的断面收缩率为50％～95％，在轧制过程中，变形区的温度升至200～600℃，该方法可以实现铜铝之间的冶金结合，再经后道次的拉伸等处理，最终可以生产具有冶金结合的、符合要求的铝包铜管。
中国专利(申请号200710110417.3)《铜包铝线、铜包铝管生产工艺及其设备》提供了一种铜包铝线、铜包铝管的生产工艺，即采用包覆焊接的方法，把经过表面清理后的铝管和铜带包覆焊接成型，同时对包覆好的铜包铝管进行在线感应退火，再经后道次的拉伸，可生产出铜包铝线和铜包铝管。
200610076037.8号专利，是利用行星轧机单道次大压下量的特性，可以一道次使铜铝界面达到冶金结合。但是，由于采用复杂的行星轧制技术，技术难度大，设备复杂，同时，由于行星轧机的特性，无法轧制超长管，无法制得特别大的单卷重量。例如，现有技术一般仅能达到50kg/卷左右，低的单卷重量会大大的降低后道次拉拔的效率，也会降低产品的成材率。另外，该方法一般仅能生产铝包铜管。
200710110417.3号专利，是采用包覆焊接的方法成型铜包铝管，并作随机在线退火和后道次的拉伸，但由于拉伸的方法单道次压下量有限，造成结合面不牢固，而且传统的盘拉使管材是在受到很大拉力的情况下缠绕到盘体上，这种受力盘绕会使铜铝结合面有相互移动的趋势，从而降低了铜铝的结合强度，而且该专利采用先退火、后拉伸的工艺步骤，有其固有的缺陷，因为铜铝复合管在包覆焊接步骤不会产生很大的硬化，真正的硬化是在拉拔以后产生，采用拉伸道次之前的退火，对管材起不到良好的退火软化作用。
所以，如何寻找在加工设备简化的情况下工艺流程短、设备投资少、冶金结合牢固的铜铝复合管的生产方法，成为本领域技术人员的攻关方向，本发明人经过多年的努力，在上述现有技术的基础上，发明出本专利的生产方法，克服了现有技术的缺陷。
发明内容
本发明旨在提供一种加工设备成本低、加工工艺流程短、复合材料结合面为牢固的冶金结合的铜铝复合管材的加工方法，本发明具体工艺步骤如下：
A、准备内管和包覆带，所述内管为铜及铜合金管或者为铝及铝合金管，相应地所述包覆带为铝及铝合金带或者铜及铜合金带；
B、对所述内管和包覆带进行表面清理；
C、将经表面清理后的所述包覆带包覆在经表面清理后的所述内管的表面，再进行纵向包覆焊接，制得铜铝复合管坯；
D、对所述铜铝复合管坯进行拉拔，当所述铜铝复合管的直径大于等于20毫米时为直线拉拔、且拉拔后无张力收卷，所述直线拉拔为单台拉拔机的多道次直线拉拔，或为联合拉拔机的连续直线拉拔，当所述铜铝复合管的直径小于20毫米时为盘拉；
E、成品退火；
F、缠绕收卷、制得成品。
本发明的上述工艺步骤，进一步还包括：
在步骤D和E之间还包括中间退火和再拉拔步骤，并依设计要求与步骤D一起多道次反复使用。
所述的再拉拔，当所述铜铝复合的管直径大于等于20毫米时为直线拉拔，所述直线拉拔为单台拉拔机的多道次直线拉拔，或为联合拉拔机的连续直线拉拔，当所述铜铝复合管的直径小于20毫米时为盘拉。
所述的中间退火采用在线感应退火。
所述包覆焊接为单层包覆，用来制造铜包铝管或铝包铜管；或者为双层包覆，用来制造内外层为铜及合金中间为铝及铝合金的铜铝复合管。
所述内管为有缝管，或者为无缝管。
所述对内管和包覆带的表面清理，采用刷光、喷丸、碱洗、酸洗、以及溶剂除油的方法。
所述成品退火或者采用在线感应退火，或者采用井式、钟罩式或连续退火炉退火。
所述步骤A、B、C、D在一条生产线上完成。
采用本专利的制造工艺来生产铜铝复合管，相对于现有技术至少具有以下优点之一：首先，当复合管径不小于20毫米时，本专利因采用直线拉拔后无张力收卷的工艺，使得铜铝复合面能够尽快达到冶金结合，并能够使拉拔过程中建立起来的冶金结合得到有效保持，从而有效保证成品复合面为冶金结合的质量要求，尤其是采用优选的连续直线拉拔工艺后，不但可以快速达到冶金结合，而且工艺程序大大简化，当复合管径小于20毫米时，因可以采用盘拉方式，从而可以在保证复合面冶金结合的同时提高生产效率；其次，因本专利未采用价格昂贵的行星轧管机而采用通常的拉拔机，从而简化了设备、投资少、成本低；再次，本专利采用拉拔过程中的选择退火，可以有效消除拉拔过程中产生的加工硬化，保证本专利工艺的有效实施和产品质量。
附图说明：
图1为采用本发明方法制得的三种铜铝复合管材的截面图；
图2为步骤C所述包覆工序的简图；
图3为直线拉拔工序的简图；
图4为拉拔时的成型区示意图；
图5为盘拉工序简图；
图6为盘拉工序中管材在弯曲部分的受力示意图。
其中：1为铜及铜合金层，2为铝及铝合金层，20为开卷机，21为内管，22为包覆带放卷机，23为包覆带刷机，24为内管刷机，25为包覆带，26为包覆机，27为焊机，28为牵引机，29为复合管，30为收卷机，31为开卷机，32为复合管，33为拉拔模，34为牵引机，35为收卷机，41为拔前的复合管，42为外模，43为芯头，44为拉拔后的复合管，51为开卷机，52为拉拔前的复合管，53为拉拔模，54为盘体，55为绕在盘体上的复合管，61、62分别为复合管的两种金属。
具体实施方式：
下面，根据附图对本发明作具体说明。
本发明所述的制造铜铝复合管的方法可以制造铜包铝管、铝包铜管、以及内外为铜中间为铝的铜铝复合管，如图1所示，其中，1为铜及铜合金层，2为铝及铝合金层。具体的工艺步骤为：
A、准备内管和包覆带，所述内管为铜及铜合金管或者为铝及铝合金管，相应地所述包覆带为铝及铝合金带或者铜及铜合金带；
B、对所述内管和包覆带进行表面清理；
C、将经表面清理后的所述包覆带包覆在经表面清理后的所述内管的表面，再进行纵向包覆焊接，制得铜铝复合管坯；
D、对所述铜铝复合管坯进行拉拔，当所述铜铝复合管的直径大于等于20毫米时为直线拉拔、且拉拔后无张力收卷，当所述铜铝复合管的直径小于20毫米时也可以为盘拉；
E、成品退火；
F、缠绕收卷、制得成品。
在步骤A中，根据所要求铜铝复合管的不同，可以选择不同的内管和包覆带，当内管为铜及铜合金包覆带为铝及铝合金时，制得的管材为铝包铜管；当步骤A中内管为铝及铝合金包覆带为铜及铜合金时，制得的管材为铜包铝管。而且可以仅是内管的外表面包覆，也可以是内管的内外表面均包覆。对于内管，可以采用无缝管或有缝管。若为铝管，可以选用铝焊管，卧式挤压机挤压的铝管或康丰挤压机挤压的铝管；若为铜管，可以选用铜焊管或铜无缝管。
对内管和包覆带的表面清理可以采用刷光、喷丸、碱洗、酸洗、溶剂除油等方法来实现。
纵向包复焊接可以采用多种成型方法，可以采用焊管机组的包覆成型方法，也可以采用被动传动的弯曲成型方法，焊接一般采用TIG、MIG等焊接方法。图2给出了一种包覆焊接工序的简图，该包覆过程如下：首先，将内管21和包覆带25同时从开卷机20、包覆带放卷机22放出，经过内管刷机24、包覆带刷机23清刷表面，再经包覆机26将包覆带包覆到内管外表面，然后被包覆好的铜铝复合管经过焊机27将包覆带纵向焊接，再经牵引机28将复合管29直接收料进收卷机30。此外，如果需要还可在牵引机28前再加一道拉拔工序，做到减径减壁，把铜铝初步固合。所述包覆焊接可以是单层包覆，即内管外表面的包覆，用来制造铜包铝管或铝包铜管；也可以是双层包覆，即内管内外表面的同时包覆，用来制造内外层为铜，中间为铝的铜铝复合管。双层包覆可在一条生产线上一次完成，也可以分两次包覆，还可以先制成铝包铜管，经拉拔后再进行包覆。
直线拉拔为促使铜铝复合管界面达到冶金结合的关键工序，图3为直线拉拔工序的简图：将包覆焊接好的铜铝复合管坯32经开卷机31、拉拔模具33、牵引机34后，无张力的进入收卷机35。其中，牵引机34提供拉拔动力，实现直线拉拔。该牵引机34可以选用履带式拉拔机，也可以选用联合拉拔机，可单台进行多道次直线拉拔，也可若干台拉拔机串联实现连续直线拉拔。
一般情况下，铜铝之间可以通过拉拔逐渐的达到冶金结合。但是，这种结合不是1～2个道次可以完成的，需要多道次才能达到冶金结合，也就是铜铝之间的结合是一个渐进的过程，每道次都可以产生一定的结合的趋势，多道次垒加，最终达到复合管材界面之间的冶金结合。而且，铜铝界面刚开始的结合是很脆弱的，如果掌握不好，在拉拔模处已经产生结合的部分，由于后道次处理不当，铜铝之间也会产生脱开的趋势，从而破坏铜铝之间的结合。本专利采用的直线拉拔尤其是连续的直线拉拔，和拉拔后无张力的收卷工艺，很好地解决了上述问题。
其中，图4为拉拔时的成型区示意图，在连续直线拉拔的过程中，铜铝界面受芯头43、外模44之间的压缩造成管材的减径减壁，而管材在出拉拔模后，经连续直线拉拔机牵引，管材本身受力的方向为轴向，没有其它方向的受力，铜铝界面之间在通过拉拔模模具后经直线拉拔牵引，最后无张力的进入收卷机，而这种连续的直线拉拔和无张力的收卷，可以有效的保证铜铝界面尽快的达到冶金结合。
盘拉是最常用的盘管的拉拔方式之一，它由一个大的圆盘体提供动力，管材绕在盘体上若干圈，盘体转动带动管材拉拔。其中，图5为盘拉工序简图，复合管52从开卷机51出料，经过拉拔模53将管材绕在盘体54上，盘体高速转动，在完成缠绕的同时完成拉拔，这种拉拔方式方便、快速、自动化程度高、可生产超长管。但是拉拔的管材在出拉拔模以后在承受很大的拉拔力的同时，要弯曲到盘拉机的盘体上。由此管材在弯曲部分会承受一定的切向力Fδ和Fδ’，如图6所示，管材的外部受拉应力Fδ，方向如箭头方向，管材直径越大，这个力也越大。如果控制不好，这个力很可能将外层金属拉断，管材的内部贴在盘体的部分受压应力Fδ’。Fδ和Fδ’这两个力的方向都会使复合管的铜铝界面产生位移错位的趋势。同时，由于绕在盘体上的管材要传递管材的拉拔力，管材在带张力的情况下弯曲在盘体上，这样，也可以使铜铝界面产生脱离的趋势。由此可知：如果采用盘拉机拉拔铜铝复合管，在管材通过拉拔模具时，铜铝界面会产生结合的趋势，而通过拉拔模后绕在盘体上时，又会产生破坏结合的趋势。因此，采用直线拉拔可以从原理上克服盘拉的缺点，可以大大的加快铜铝界面的冶金结合。一般情况下，管材的直径越大，越应该采用连续直拉，理论上在复合管的拉拔过程中采用全连续直线拉拔是最好的选择，但是由于在小管径时，直线拉拔的速度大大低于盘拉。因此，在保证复合管材结合面冶金结合的情况下，在小管径时，例如在Φ20mm以下，也可以采用盘拉。
本专利铜铝复合管的直线拉拔是在常温下进行的，若干台直线拉拔机串联可以构成多道次的连续直线拉拔，铜铝复合管在通过拉拔模时会产生一定的变形热，多道次连续直线拉拔时，这种热量会产生累加效应，甚至过热，因此，可以在复合管过拉拔模后进行适当的冷却，则可以解决这个问题。
上述步骤A、B、C、D所述的准备内管和包覆带、表面清理、纵向包覆焊接和拉拔四道工序，可在一条生产线上一次完成，当然也可分开完成，如：先单独完成步骤A，再将步骤B、C在一条线上组合完成，随后再进行下道工序。
铜铝复合管成品前的最终退火可以选用在线感应退火，也可以选用井式、钟罩式和连续退火炉退火，在退火的过程中可以对管内进行吹扫，提高管内的清洁度。
经成品退火后，进行缠绕收卷、制得成品。
在某些情况下，在对复合管坯进行拉拔后，需要对管材进行中间退火，经中间退火后的复合管可以再次进行拉拔，当然如果复合管的直径小于Φ20mm，也可以采用盘拉。如此，拉拔-退火-拉拔，可以多道次反复使用。此时的中间退火，应优先选用在线感应退火。这种退火速度快、效率高，退火后管材直接水冷(或空冷)，整个退火过程在几秒钟内完成，可以保证在铜铝结合面上不产生CUAL2，因为这种物质的产生会破坏铜铝界面的结合，从而造成废品。
下面结合实施例对本专利做进一步的说明：
实施例1：制造铜包铝管
内管采用Φ30×2mm的3003挤压铝盘管，单根卷重800公斤，包覆带选用厚度为0.6mm的紫铜带，将铝管和铜带刷光后采用TIG包覆焊，经6道次连续直线拉拔至13.8×0.92mm，再上盘拉机拉至Φ9.2×0.6mm，经在线感应退火(井式炉退火)至成品缠绕收卷。该铜包铝管的铜铝界面冶金结合良好，可被替代铜管作为射频电缆的内导体，而这种铜包铝管的重量仅是铜管的50％左右，且单根管材超长，生产效率极高。
实施例2：制造铜包铝管
将由康丰连续挤压机挤出Φ12.7X1mm的纯铝管包覆0.34mm的铜带，经表面清理后连续直线拉拔和盘拉至Φ5.08×0.5mm或Φ3.75×0.4mm，在线退火后缠绕收卷、制得成品管材，此铜包铝管的铜铝界面冶金结合良好，可以替代同样外径的铜包铝线作射频电缆的内导体，此时铜包铝管的重量也是同样外径铜包铝线重量的一半左右。
实施例3：制造铝包铜管
将0.5mm的铜带纵向焊成直径Φ42的铜管作内管，再将厚度3mm的铝带经表面清理后包覆焊接在该内管外表面，随后经8道次连续直线拉拔至Φ20×1.25mm，经在线退火后再连续直线拉拔至Φ12×0.55mm，然后，再经在线退火后成型为Φ9.52mm的内螺纹铜铝复合管，该管可用来制造空调器的两器即冷凝器和蒸发器，与传统的内螺纹铜管相比，铝包铜的内螺纹纹管重量是铜管的1/2，传热效率可以提高2～5％。
实施例4：制造内外层为铜中间为铝的铜铝复合管：
将实施例3包覆的铝包铜管拉拔至Φ28×2.0mm后，再将0.4mm的铜带包覆焊在其内表面，然后直线拉拔至Φ12.7×0.75mm，或Φ9.53×0.7mm，或Φ6.35×0.7mm，在线退火后缠绕收卷、制得成品，该成品复合管可以用来制作空调的连接管。
采用本专利工艺方法制得的上述铜铝复合管均是成功的，具有良好的冶金结合面，可以替代现用的纯铜及铜合金管。
本专利的上述实施例，只是用于理解本发明只用，不视为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本专利的基础上以不脱离本发明的改变和变化，均为本专利的组成部分，本发明的范围由其权利要求及其等同物确定。
Claims (9)
1.一种制造铜铝复合管的方法，包括如下工艺步骤：
A、准备内管和包覆带，所述内管为铜及铜合金管或者为铝及铝合金管，相应地所述包覆带为铝及铝合金带或者铜及铜合金带；
B、对所述内管和包覆带进行表面清理；
C、将经表面清理后的所述包覆带包覆在经表面清理后的所述内管的表面，再进行纵向包覆焊接，制得铜铝复合管坯；
D、对所述铜铝复合管坯进行拉拔，当所述铜铝复合管的直径大于等于20毫米时为直线拉拔、且拉拔后无张力收卷，所述的直线拉拔为单台拉拔机的多道次直线拉拔，或为联合拉拔机的连续直线拉拔，当所述铜铝复合管的直径小于20毫米时为盘拉；
E、成品退火；
F、缠绕收卷、制得成品。
2.根据权利要求1所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：在步骤D和E之间还包括中间退火和再拉拔步骤，并依设计要求与步骤D一起多道次反复使用。
3.根据权利要求2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述的再拉拔，当所述铜铝复合管的直径大于等于20毫米时为直线拉拔、且拉拔后无张力收卷，所述的直线拉拔为单台拉拔机的多道次直线拉拔，或为联合拉拔机的连续直线拉拔，当所述铜铝复合管的直径小于20毫米时为盘拉。
4.根据权利要求2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述的中间退火采用在线感应退火。
5.根据权力要求1或2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述包覆焊接为单层包覆，用来制造铜包铝管或铝包铜管；或者所述包覆焊接为双层包覆，用来制造内外层为铜及合金中间为铝及铝合金的铜铝复合管。
6.根据权力要求1或2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述内管为有缝管，或者为无缝管。
7.根据权力要求1或2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述对内管和包覆带的表面清理，采用刷光、喷丸、碱洗、酸洗、以及溶剂除油的方法。
8.根据权力要求1或2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述产品退火或者采用在线感应退火，或者采用井式、钟罩式或连续退火炉退火。
9.根据权力要求1或2所述的制造铜铝复合管的方法，其特征在于：所述步骤A、B、C、D在一条生产线上完成。
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