CN106670258B - 金属复合管塑性加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属复合管塑性加工方法，采用加热旋压法对完成装配的复合管坯进行强力旋压，通过激光对成形过程中的复合管坯进行局部加热，在温度和大变形量的共同作用下，实现复合管坯内管和外管的界面结合，所形成界面具有较高的结合强度。本发明提出的一种金属复合管塑性加工方法，生产工艺简单、加工效率高，工艺稳定性好和生产成本低。

Description

金属复合管塑性加工方法
技术领域
本发明涉及金属复合管材制造领域，尤其涉及一种金属复合旋压成形方法。
背景技术
金属复合管通过将两种或多种不同性能的金属管进行组合，利用各自的优势形成的金属复合管，通过将导电性、导热性、耐腐蚀性和力学性能的有效组合，既能实现单一金属管无法满足的性能要求，又能节约资源，性价比高。金属复合管扩大了材料的使用范围，因此在石油化工等领域得到了广泛的应用。
常用的金属复合管加工方法主要包括机械复合工艺和冶金复合工艺两种：机械复合工艺目前主要分为液压复合和冷拔复合，其特点是在冷态下使复合管坯的内管产生塑性变形，外管产生弹性变形，从而使内管紧紧贴合在外管内壁上；冶金复合工艺主要有爆炸复合、挤压复合和穿孔复合，其特点是极高的压力和温度下使内管和外管的界面处产生“压力锻”的焊接效应。
机械复合工艺所成形复合管的为非扩散结合，是依靠外管变形而获得紧密配合，在高温下存在分层倾向，同时这种紧密配合会因应力释放而失效，因而机械复合管的使用环境和应用领域受到了一定的限制。冶金复合工艺实现了冶金结合，结合强度高，因此应用范围更广，但冶金复合存在生产周期长，操作要求高等缺点。
为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。公开号CN1375362A提出了一种应用中频感应加热钎焊与冷拔相结合的方法来制造双金属复合管，公开号CN1375362A提出了采用对离心浇铸管坯直接热挤压的方式来成形双金属复合管，但前者存在生产成本高，界面结合强度低的问题，后者则只能制造内管熔点低于外管材料的双金属复合材料。
发明内容
为了解决液压复合和冷拔复合形成的金属复合管容易应力释放失效，进而导致使用范围窄的问题，冶金复合存在生产周期长，操作要求高的缺点，本发明提供一种金属复合管塑性加工方法。
本发明金属复合管塑性加工方法，步骤如下，
a、根据成形复合管的几何参数和旋压成形工艺参数，选取外管和内管，保证外管能套接到内管上且外管与内管形成小间隙配合，同时外管壁厚大于内管壁厚；
b、对外管的内表面和内管的外表面先进行去脂干燥；
c、去除外管的内表面和内管的外表面的氧化层；
d、将内管套接到芯模上，芯模安装在旋压机的主轴上，在将外管套接到内管上，形成复合管坯，并进行定位，保证内管和外管在旋转过程中无相对错动；
e、设定激光加热头的初始辐照位置和旋轮组的初始位置，使二者在复合管坯的轴向保持预设距离；
f、设定激光参数，包括离焦量和输出功率，设定旋压参数，包括主轴转速、压下量和进给速度；
g、开启激光器和旋压机，旋压机主轴带动芯模转动，复合管坯随芯模转动，激光器通过激光加热头发出激光，对复合管坯表面进行辐照，复合管坯吸收激光能量，在复合管坯上形成局部加热区，旋轮碾压复合管坯的局部加热区；同时，非接触式测温装置对局部加热区的温度进行实时监测，通过调整激光器的功率，实现局部加热区温度的调整；
h、激光加热头和旋轮组保持预设距离同步进给，复合管坯不断转动，旋轮组不断对复合管坯的局部加热区进行碾压，直至复合管坯形成金属复合管；
i、对金属复合管端口进行修正,使内管和外管保持平齐。
当内管变形所需温度要求较高时，所述的芯模上设置有加热装置。
进一步，具体的说，步骤b中先采用有机溶剂或化学介质清洗外管的内表面和内管的外表面，然后用蒸馏水洗净吹干。
进一步，具体的说，步骤c利用钢丝刷或钢丝抛盘去除外管的内表面和内管的外表面的氧化层，然后用溶剂进行清洗并吹干。利用溶剂清洗去除一些杂质。
为了防止激光射到复合管坯上后大部分光线会反射到激光器，所述的激光器通过激光加热头输出的激光束与复合管坯的轴向形成夹角α，夹角α为20°-70°。
进一步，具体的说，预设距离为2mm-10mm。
为减少摩擦，加工过程中，可在所述的复合管坯的外表面和所述旋轮组的接触面涂有润滑剂。
为平衡保持强力旋压时的旋压力，所述的旋轮组包括两个旋轮，两个旋轮分别设置在复合管坯圆周方向的相对两侧。所述的旋轮组包括三个旋轮，三个旋轮设置在复合管坯的圆周方向且均匀分布。
本发明金属复合管塑性加工方法，有效益效果是：(1)采用激光作为加热热源，材料吸收激光能量，瞬间即可达到塑性变形所需温度，加热效率高，绿色环保；(2)对材料的变形区及其周围进行在线加热，不受旋压件尺寸和形状的限制，工艺柔性好；(3)通过控制加热区作用面积和加热深度，降低热量输入，节约能源，能有效提高旋压设备及工艺装备的使用寿命，同时所成形金属复合管工艺稳定性好，残余应力小；(4)本发明使内管和外管产生一定的变形量，在一定温度和旋压力的作用下，可实现内管和外管的界面结合，具有较高的结合强度；(5)加工流程短，工艺简单、工艺稳定性好和生产成本低。
附图说明
图1是金属复合管塑性加工方法的结构示意图。
1-主轴；2-芯模；31-内管；32-外管；4-旋轮组；5-尾顶；6-非接触式测温装置；7-激光加热头；8-激光器；α-夹角；Δ-预设距离。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明金属复合管塑性加工方法，步骤如下，
a、选取合适壁厚和直径的外管32和内管31，保证外管32能套接到内管31上且外管32与内管31形成小间隙配合，同时外管32壁厚大于内管31壁厚；当然，此处还要考虑到外管32，内管31减薄率的问题；
b、对外管32的内表面和内管31的外表面先进行去脂干燥；
c、去除外管32的内表面和内管31的外表面的氧化层；
d、将内管31套接到芯模2上，芯模2安装在旋压机的主轴1上，在将外管32套接到内管31上，形成复合管坯，并进行定位，保证内管31和外管32在旋转过程中不发生错动。
e、设定激光加热头7的初始辐照位置和旋轮组4的初始位置，使二者在复合管坯的轴向保持预设距离Δ；
f、设定激光参数，包括离焦量和输出功率，设定旋压参数，包括主轴(1)转速、压下量和进给速度；
g、开启激光器8和旋压机，旋压机主轴1带动芯模2转动，复合管坯随芯模2转动，激光器8通过激光加热头7发出激光，对复合管坯表面进行辐照，复合管坯吸收激光能量，在复合管坯上形成局部加热区，旋轮碾压复合管坯的局部加热区；同时，非接触式测温装置6，优选红外测温装置，对局部加热区的温度进行实时监测，通过调整激光器8的功率，实现局部加热区温度的调整；
h、激光加热头7和旋轮保持预设距离Δ同步进给，复合管坯不断转动，旋轮组4不断对复合管坯的局部加热区进行碾压，直至加工完毕整个复合管坯的成形；
i、对成形的金属复合管端口进行修正,使得内管31和外管32保持平齐。
步骤a中内管31的长度长于外管32的长度。
步骤b中先采用质量百分比10％的盐酸清洗外管32的内表面和内管31的外表面，然后用蒸馏水洗净吹干。
步骤c利用钢丝刷或钢丝抛盘去除外管32的内表面和内管31的外表面的氧化层，然后用丙酮进行清洗并吹干。
步骤d中芯模2上设置有加热装置。
步骤e中激光器8输出的激光与复合管坯的轴向形成夹角α，夹角α为20°-70°。优选夹角α为30°。预设距离Δ为2mm-10mm。预设距离Δ为5mm。外管32的外表面涂有润滑剂，优选，水性石墨层。
旋轮组4可以是两个旋轮，两个旋轮分别设置在复合管坯圆周方向的相对两侧。旋轮组4也可以是三个旋轮，三个旋轮设置在复合管坯圆周方向且均匀分布。
具体实例：(1)选用铜管和钢管，其中铜管内径为Φ100mm，铜管壁厚为0.6mm，钢管内径为Φ101.2mm，钢管壁厚为1.8mm，铜管比钢管长5mm，钢管内孔与铜管外圆形成H8/g7配合。
(2)进行表面处理：采用质量百分比10％的盐酸清洗钢管的内表面和铜管的外表面，用清水洗净，然后吹干；
(3)采用钢丝抛盘分别打毛铜管的外表面和钢管的内表面，然后用丙酮进行清洗，并吹干；
(4)铜管穿入钢管，形成复合管坯后套接到芯模2上，利用铜管的管壁底部进行定位，然后用尾顶5顶紧；
(5)设定旋压参数：主轴1的转速为450r/min、旋轮的压下量为0.85mm和进给速度30mm/min；
(6)调整激光加热头(7)，使其输出激光与复合管坯轴向成30°角，离焦量为35mm，设置激光器8输出功率为1250W；
(7)设定旋轮组4的初始位置，旋轮组4包括两个旋轮，相对设置在复合管坯的周向两侧，设定激光光斑的初始辐照位置，使激光光斑和旋轮与坯料接触区在轴向保持预设值Δ为5mm；
(8)在钢管外表面涂设有水性石墨层。
(9)开始加工，激光器8输出的激光通过激光加热头7辐照到复合管坯的表面，旋轮组4碾压复合管坯表面的加热区，复合管坯随芯模2转动，旋轮组4和激光加热头7保持预设距离按30mm/min的速度沿芯模2轴线进给，在此过程中，采用红外测温装置对加热区的温度进行在线监测，以保证加热温度满足加工需要。直至旋轮组4碾压完毕整个复合管坯，激光器8停止出光，主轴1停转；
(10)切除超出钢管的多余铜管。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属复合管塑性加工方法，其特征在于：
步骤如下，a、根据成形复合管的几何参数和旋压成形工艺参数，选取外管(32)和内管(31)，保证外管(32)能套接到内管(31)上且外管(32)与内管(31)形成小间隙配合，同时外管(32)壁厚大于内管(31)壁厚；
b、对外管(32)的内表面和内管(31)的外表面先进行去脂干燥；
c、去除外管(32)的内表面和内管(31)的外表面的氧化层；
d、将内管(31)套接到芯模(2)上，芯模(2)安装在旋压机的主轴(1)上，再 将外管(32)套接到内管(31)上，形成复合管坯，并进行定位，保证内管(31)和外管(32)在旋转过程中无相对错动；
e、设定激光加热头(7)的初始辐照位置和旋轮组(4)的初始位置，使二者在复合管坯的轴向保持预设距离(Δ)；
f、设定激光参数，包括离焦量和输出功率，设定旋压参数，包括主轴(1)转速、压下量和进给速度；
g、开启激光器(8)和旋压机，旋压机主轴(1)带动芯模(2)转动，复合管坯随芯模(2)转动，激光器(8)通过激光加热头(7)发出激光，对复合管坯表面进行辐照，复合管坯吸收激光能量，在复合管坯上形成局部加热区，旋轮组(4)碾压复合管坯的局部加热区；同时，非接触式测温装置(6)对局部加热区的温度进行实时监测，通过调整激光器(8)的功率，实现局部加热区温度的调整；
h、激光加热头(7)和旋轮组(4)保持预设距离(Δ)同步进给，复合管坯不断转动，旋轮组(4)不断对复合管坯的局部加热区进行碾压，直至复合管坯形成金属复合管；
i、对金属复合管端口进行修正，使内管(31)与外管(32)保持齐平。
2.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：所述的芯模(2)上设置有加热装置。
3.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：步骤b中先采用有机溶剂或化学介质清洗外管(32)的内表面和内管(31)的外表面，然后用蒸馏水洗净吹干。
4.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：步骤c利用钢丝刷或钢丝抛盘去除外管(32)的内表面和内管(31)的外表面的氧化层，然后用溶剂进行清洗并吹干。
5.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：所述的激光器(8)通过激光加热头(7)输出的激光束与复合管坯的轴向形成夹角(α)，夹角(α)为20°-70°。
6.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：预设距离(Δ)为2mm-10mm。
7.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：所述的复合管坯的外表面上与所述旋轮组(4)的接触面涂有润滑剂。
8.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：所述的旋轮组(4)包括两个旋轮，两个旋轮分别设置在复合管坯圆周方向的相对两侧。
9.如权利要求1所述的金属复合管塑性加工方法，其特征在于：所述的旋轮组(4)包括三个旋轮，三个旋轮设置在复合管坯圆周方向上且均匀分布。
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