CN105537364A - 一种双金属复合三通管制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双金属复合三通管制备方法,所述方法包括以下步骤：1）准备两种不同材质的内外金属管套装在一起；2）将套装在一起的金属管放在三通机模具内；3）在内管内注入液体，所述液体为纯净水；4）启动设备的增压系统，通过设备的增压系统提供内压Pi，同时通过液压机的两个水平侧缸同步对中运动挤压管坯，左右油缸提供压力Fa，上油缸提供支管端部的平衡力Fq，管坯受挤压后体积变小，管坯内的液体随管坯体积变小而压力升高，(同时增压系统可根据管坯复合及变形情况确定是否增压)，随着管内压力升高，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到三通支管胀出所需要的压力时，金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

Description

一种双金属复合三通管制备方法

技术领域

本发明涉及一种三通管的制备方法，具体涉及一种双金属复合三通管制备方法，属于冶金及制管技术领域。

背景技术

三通管为管路上的常用部件，属于压力管道元件，广泛的应用于石油、化工、造船、核电、电站建设、食品、制药、航空航天、有色金属冶炼、城市供水、造纸等行业的管路上。在腐蚀恶劣的环境中，不锈钢合金是常用的防腐蚀材料，然而纯不锈钢合金管道材料成本较高，特别是在压力较高工况下，由于管壁较厚，所需成本就更高。用外层为普通碳素钢，内层为不锈钢制成的复合三通管，来代替纯不锈钢合金三通管，可节省不锈钢，大大降低三通管件成本，用于大口径三通管的生产，经济效益尤为显著。因此复合三通管在石化、核电、城市供水、食品、制药等行业有广泛的应用前景。国内现有双金属复合三通管的制作，首先先焊接成形复合直管，再通过胀形成形获得双金属三通管，整个工艺比较复杂，工艺流程较长，成本较高，不利于大规模的推广应用。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种双金属复合三通管制备方法，该方法整个操作过程简单，容易控制，并且可以一次性成型双金属复合三通管，同时又保证了管件的成形质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种双金属复合三通管制备方法，其特征在于,所述方法包括以下步骤：1）准备两种不同材质的内外金属管套装在一起；2）将套装在一起的金属管放在三通机模具内；3）在内管内注入液体，所述液体为纯净水；4）打开三通机模具，通过设备的增压系统提供内压Pi，同时通过液压机的两个水平侧缸同步对中运动挤压管坯，左右油缸提供压力Fa，上油缸提供支管端部的平衡力Fq，管坯受挤压后体积变小，管坯内的液体随管坯体积变小而压力升高，(同时增压系统可根据管坯复合及变形情况确定是否增压)，随着管内压力升高，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到三通支管胀出所需要的压力时，金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

作为本发明的一种改进，所述步骤4）中设备的增压系统提供内压Pi为在80-120MPa。

作为本发明的一种改进，所述步骤4）中左右油缸提供压力Fa为在8-20T，上油缸提供支管端部的平衡力Fq为在8-20T。

作为本发明的一种改进，所述步骤4）中随着管内压力升高，达到50-80MPa时，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到85-100MPa时金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1）该技术方案中胀形压力均匀分布，最为均匀稳定，所成形的产品质量好，不需要通过先复合再成形的焊接和胀形工艺就可以生产双金属复合三通管，提高了工作效率；2）该技术方案能够缩短产品生产周期，减少设备投入，从而降低生产成本，具有十分广阔的市场前景。

附图说明

图1为液体介质挤压胀形双金属复合三通管示意图；

图2为复合胀形力学模型。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

实施例1：一种双金属复合三通管制备方法，所述方法包括以下步骤：1）准备两种不同材质的内外金属管套装在一起；2）将套装在一起的金属管放在三通机模具内；3）在内管内注入液体，所述液体为纯净水；4）打开三通机模具，通过设备的增压系统提供内压Pi，同时通过液压机的两个水平侧缸同步对中运动挤压管坯，左右油缸提供压力Fa，上油缸提供支管端部的平衡力Fq，管坯受挤压后体积变小，管坯内的液体随管坯体积变小而压力升高，(同时增压系统可根据管坯复合及变形情况确定是否增压)，随着管内压力升高，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到三通支管胀出所需要的压力时，金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管，其中所述步骤4）中设备的增压系统提供内压Pi为在80-120MPa；所述步骤4）中左右油缸提供压力Fa为在8-20T，上油缸提供支管端部的平衡力Fq为在8-20T，所述步骤4）中随着管内压力升高，达到50-80MPa时，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到85-100MPa时金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

具体复合胀形工艺如下：

三通管的液压胀形成形过程，按力学特性可分为两个阶段，分别是：自由胀形阶段。从管坯开始发生塑性变形直到平衡冲头顶端与管坯端部接触为止。在挤压冲头与内压的双重作用下，管坯从弹性变形进入到塑性变形阶段，并在模具、挤压冲头与内压的约束下，在主管型腔的过度区域产生突起直至突起部分接触到平衡冲头。这个阶段管坯的最大变形量是由金属允许的管壁减薄量和自由状态下管坯能承受的压缩量所决定的，此时如果内压不足，如内压低于50MPa时，管坯就会失稳起皱，反之管坯就会变薄甚至破裂。

三通管液压胀形的轴向挤压力由三个部分组成，一个是管坯内液体对冲头的反作用力；一个是使管坯沿轴向发生塑性变形所需要的力；一个力是管坯与模腔接触面之间的摩擦力。

稳定变形阶段。从支管端部与平衡冲头接触开始，直至成形结束。此时，管件受到三种力的作用，即内部胀形力、挤压力和平衡力。当这三个力保持合理的比例关系时，变形金属处于高静水压力和有利于塑性变形的偏应力状态下，能够按理想的状态变形。

通过研究分析得知，三通管的壁厚变化与液压胀形时三通管各部位的受力情况有关。一是胀形过程中，主要变形区(指整个成形支管以及与支管直接对应和相邻的部分主管，这部分区域在胀形过程中较大)中的绝大部分区域的主应变为拉应变，非主要变形区中，仅在主管两端部分区域以及与之相连的主要变形区中，支管两侧壁中下部较狭小的区域其主应变为压应变，而在整个胀形过程中全部管件区域的次应变均为压应变，最大次应变位于最大变形区中支管顶部边缘一侧曲率变化较大的部位；最小次应变也是所有应变中数值最大的压应变，它与最大主应变位于相同区域几乎同一位置。在整个胀形过程中，除支管顶部的最大变形区以外，三通管其他所有区域胀形所产生的主、次应变中，压应变的值均大于拉应变。根据对三通管胀形时的应变分析可知，一方面，三通管各部分在液压胀形过程中的受力情况是不同的，另一方面，三通管各部分在液压胀形过程中壁厚变化情况也是不同的。胀形过程中管件壁厚减薄是轴向挤压胀形中不可避免的现象，若想通过增大胀形介质内压力来获得更大的变形量，就应该采用以上介绍的复合成形工艺，通过支管冲头平衡力改变胀形区的应力应变状态，使胀形管件在较高的静水压力下实现稳定的变形。复合胀形力学模型如图2所示，它是在轴向压缩胀形的同时，另外对胀形区施加径向反压力，即支管平衡力Fq。胀形过程中，胀形介质所产生的内压力Pi作用在内管坯内表面，用以提供使内管与外管胀合和使管坯金属流向凹模支管空腔所需的径向扩张力；Fa施加在管坯端面上，提供轴向挤压力；Fq作用在胀形支管的端部，以平衡支管内胀形介质所产生的胀形力。由于径向反压力的作用，使胀形区最大变形处的应力状态得到了明显的改善，为发挥材料的塑性变形提供了有利的变形条件。运用非双金属管坯一次性制备双金属复合三通管工艺的技术关键，除了需要保证轴向压力与内压力的比值合适外，施加反压力的大小与时间无疑是重要的影响因素。反压力过小，不能有效地抑制胀形区减薄；反压力过大，不仅使胀形内压力和轴向挤压力相应地增大，从而导致凹模圆角处壁厚显著增加，甚至会因为较大压缩应力的作用，导致主管直壁失稳起皱，甚至损坏模具。因此，施加的反压力的大小，应以能维持平衡支管内的胀形力为依据。理论与实验研究表明，这种复合胀形工艺可以有效地抑制胀形区壁厚的减薄，显著提高胀形成形极限和质量。胀形区壁厚的变化

通过增加支管平衡力的作用，可以改善轴向压缩胀形时变形区的应力状态，当通过挤压力、平衡力和胀形力的综合作用，在变形区内形成较大静水压力的三向压应力状态下变形时，金属的塑性明显提高，管坯可在轴向材料补给及时的情况下实现稳定变形，极限变形程度力有极大提高。

3、双金属复合三通管复合胀形加工的影响因素及工艺要求

1）工艺力和挤压胀形速度

利用非双金属管制备双金属复合三通管成形过程中需要作用有四个力：挤压力、胀形力、平衡力以及合膜力。胀形力由胀形介质产生，作用于内管管坯内表面，用以提供使两金属管胀形复合及复合后的管坯金属流向凹模支管型腔所需的径向扩张力；挤压力施加在管坯端面上，提供轴向挤压力，向变形区补充材料并促进胀形过程中的金属流动；平衡力作用于支管端部，以平衡支管内胀形介质所产生的胀形力，改善胀形区最大变形处的应力状态，抑制胀形区壁厚的减薄，显著提高胀形成形极限和成形质量；合膜力使两半凹模在成形过程中始终保持紧密接触，保证模具型腔具有准确的尺寸。其中，挤压力、胀形力和平衡力属于成形力，其大小及比例关系非常重要，直接决定了钢管的应力应变状态、变形能力、变形方式和大小。而合膜力应足够大，以防止挤压胀形时外管管材沿分模面挤出，形成象加强筋一样的飞边，不仅影响了成形件的质量，也增加了变形阻力。这些力均由设备的液压系统提供，并均可调节。

当冲头运动速度在5mm/s以下时，变形速度对变形过程的影响不大，仅影响着流动应力。而当冲头运动速度较高时，材料的成形性能降低。因此在生产过程中尽可能减小挤压胀形速度。

2)模具尺寸精度及表面质量

A、模具型腔的形状尺寸及精度。特别是过渡区圆角半径的大小，将直接决定管坯的变形和摩擦力的分布；模具的制造及装配精度，对产品质量影响较大。过渡区圆角半径的大小一般选8-20mm，模具的制造及装配精度要求0.2mm。

B、模具的表面质量。主要是指模腔表面粗糙度，粗糙度越低，金属流动阻力越小，有利于支管的成形。一般模腔表面粗糙度为1.6-0.2um。

C、模具的刚度和强度。直接影响着制件的几何形状和尺寸精度以及超高压液体的密封，因此模具的刚度和强度要满足模具用材质的标准要求，同时要进行热处理。如5CrNiMo材料热处理后HRC要达到52-56。

3）挤压冲头的运动控制及精度

冲头运动的同步性影响着变形的对称性，我们选用的液压胀形三通机，左右推制油缸采用比例数字控制，借助于位移传感器保证推制三通管两端同步精度，精度要求0.2mm。

4）管材质量

非双金属管制三通采用两种不同材质的金属管，一般基管（外管）满足管材设计应力要求，覆管（内管）用以抵抗腐蚀或磨损等。通常基管材质选用碳素钢或低合金钢如Q235、Q345、A105、1Cr5Mo1、5CrNiMo等；覆管选用不锈钢管或高温高镍合金管如304、304L、321、316L、C276等。基管一般较厚，厚度6-100mm，覆管较薄，厚度2-6mm。一般内管外径较外管内径小0.5-5mm，能保证外管顺利套上内管就行。复合三通管兼具了内外两种金属的优点，既能有效的降低成本，又能提高具有应力腐蚀开裂敏感性的管材在氯化物和酸性环境中的安全性。

管材质量主要包括材料的化学成分、金相组织、微观结构、管材的各向异性、表面压力和力学性能等，都会影响管材的塑性变形能力和成形性能。

5）润滑剂的选择

摩擦力会导致应力应变场分布的不均和变形抗力的增大、工件表面擦伤等，故应采用合适的润滑剂并保持良好的润滑状态，以便减少摩擦，目前主要采用萞麻油、工业豆油、含猪油、十四醇和机油的混和油液以及理淬火油作为润滑剂。

根据正交试验设计方法与有限元仿真工具相结合，模拟非双金属管坯三通管的液压成形情况得知，三通管液压成形中，模具过度圆角半径R、胀形最高内压力Pi、管壁与模腔表面摩擦系数f和支管平衡冲头平衡力Fq对其成形过程的影响规律。其中管壁与模腔表面摩擦系数f对成形性能影响最为显著，是影响成形性能的不利因素；模具过度圆角半径和胀形最高内压力Pi对成形性能也有高度显著影响，在一定范围内，R值和Pi值越大成形越好，而Fq的影响不显著但对提高液压胀形极限有显著影响。在实际生产中，受产品规格的限制，R值不可能无限制的增大，而Pi值若过大，不仅会增大管壁移动的摩擦阻力，阻滞金属流入模具支管型腔，导致管壁厚度分布很不均匀，而且还会增加设备的负担，甚至因为胀形压力过大使胀形件破裂而导致生产失败。因此，在实践中要做到二者兼顾，才能有效地指导生产。

有益效果：由于采用上述制备方法，改变了现有先焊接成形复合直管，再通过胀形成形获得双金属三通管的工艺方法，不但可以一次性成形双金属复合三通管，同时又保证管件的成形质量。该工艺能够缩短产品生产周期，减少设备投入，从而降低生产成本，具有十分广阔的市场前景。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双金属复合三通管制备方法，其特征在于,所述方法包括以下步骤：1）准备两种不同材质的内外金属管套装在一起；2）将套装在一起的金属管放在三通机模具内；3）在内管内注入液体，所述液体为纯净水；4）打开三通机模具，通过设备的增压系统提供内压Pi，同时通过液压机的两个水平侧缸同步对中运动挤压管坯，左右油缸提供压力Fa，上油缸提供支管端部的平衡力Fq，管坯受挤压后体积变小，管坯内的液体随管坯体积变小而压力升高，随着管内压力升高，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到三通支管胀出所需要的压力时，金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。

2.根据权利要求1所述的双金属复合三通管制备方法，其特征在于,所述步骤4）中设备的增压系统提供内压Pi为在80-120MPa。

3.根据权利要求2所述的双金属复合三通管制备方法，其特征在于,所述步骤4）中左右油缸提供压力Fa为在8-20T，上油缸提供支管端部的平衡力Fq为在8-20T。

4.根据权利要求2或3所述的双金属复合三通管制备方法，其特征在于,所述步骤4）中随着管内压力升高，达到50-80MPa时，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，内外两管紧密贴合在一起，当管内压力进一步升高，达到85-100MPa时金属材料在侧缸和管坯内液体压力的双重作用下沿模具内腔流动而胀出支管。