CN106799422B - 一种双金属复合管材旋压制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双金属复合管材旋压制备方法，由于内层金属管坯较外层金属管坯的强度大，在旋压过程中，在相对难变形的内层金属管坯上施加扭矩。本发明在复合旋压时，在强度相对高的内层金属上施加一个周向扭矩，促使两种材料共同变形的同时，显著改善界面结合效果。必要时，对难变形的管坯施加扭矩的同时，对难变形的管坯施加轴向张力。

Description

一种双金属复合管材旋压制备方法
技术领域
本发明属于双金属复合管加工技术领域，特别涉及一种双金属复合管材旋压制备方法。
背景技术
金属管材在国民经济的各个领域被大量使用，很多使用环境除对管材的常规力学性能要求外还对管材的耐冲蚀耐高温耐腐蚀要求很高，用常规材料难于满足使用要求，需要使用各种贵重的金属材料，使成本大量增加。使用双金属复合材料管材是解决这类问题的重要途径。通过将少量的贵重金属与常规的金属材料分别作为内外层材料构成双金属复合管材，由贵重金属满足耐蚀耐温等性能要求，常规金属满足通常的力性要求，在满足使用要求的情况下使会成本大量降低。另外双金属复合管材同时还会带来结构减重等其它优点。
双金属复合管可以采用铸造复合，焊接复合，机械拉拔，旋压复合等多种制造方法，各种方法在制备成本及双金属复合强度等方面均有不同特点。将套在一起的双层管坯通过强力旋压制成复合管材，可以随意控制管材的壁厚，而且在两种材料的界面形成比较好的复合效果。但是通常由于双金属复合管中的两种金属材料性能差异很大，强力旋压时两种金属变形及流动不协调，管材起皱失稳，难以使复合过程顺利进行，或严重影响双金属的结合强度。
本申请的发明人在研究过程中，尝试通过在强力旋压过程中，对强度相对高的工件施加一轴向张力，促进其轴向变形，使复合的两个管材步调一致。但是研究实践发现，这种方法虽然改善了两种材料变形及流动的协调性，但当内层金属强度高时，两种材料界面结合情况的改善效果不大。
造成上述现象的原因是强力旋压时由旋轮施加在在管材上的旋压力是由管材外层向内层传递的，并且从外到内逐渐变小，在外层金属相对强度低的情况下难于对内层金属发挥有效作用。在复合旋压内层强度相对高双金属管材情况下，当外层金属达到屈服极限开始变形流动时，内层金属因强度高和受到旋压力小，尚未达到屈服条件，因而很难变形。造成外层金属流动而内层不动，因此复合很难进行。而在内层金属加上一轴向拉力将使其受到的等效应力增大很快达到其屈服极限而产生流动，增加了变形协调性。但加上轴向拉力，增加轴向流动的同时，根据体积不变原理，其周向流动减少，内层金属有缩径的趋势，造成两层金属界面的分离，严重影响其结合效果。
旋压时要获得双金属界面结合的改善，控制内层金属的流动变形是关键。在整体变形协调的情况下，使界面保持紧密接触或增加界面压紧的趋势将有利于得到良好的结合效果。
发明内容
本发明旨在解决因内层金属强度高而造成复合旋压过程中的变形不协调及界面结合差的问题。基于此，本发明提供了一种双金属复合管材旋压制备方法。
一种双金属复合管材旋压制备方法，内层金属管坯较外层金属管坯的强度大，在旋压过程中，在相对难变形的内层金属管坯上施加扭矩。
所施加扭矩的值根据两种金属管坯变形难易程度选择，一般不超过内层金属管坯本身的剪切屈服极限。
根据等效应力原理，所旋加的扭矩在内层金属管坯1中造成的剪切应力等同于对内层金属管坯1上施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力。
进一步地，对内层金属管坯施加扭矩的同时，对内层金属管坯施加轴向张力；同时施加扭矩和轴向张力时，应保证内层金属管坯不发生塑性变形。所施加的轴向张力值根据两种金属管坯变形难易程度选择，一般不超过内层金属管坯本身的拉伸屈服极限的0.5倍。
本发明的有益效果为：
本发明在复合旋压时，在强度相对高的内层金属管坯上施加一个周向扭矩，促使两种材料共同变形的同时，显著改善界面结合效果。
对强度相对高的内层金属管坯施加周向扭矩，在内层金属管坯中造成一纯剪切应力状态，根据等效应力原理，该剪切应力等同于对内层金属管坯施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力，该拉应力的轴向分量能够促进内层金属管坯沿轴向的伸长变形，通过控制扭矩的大小使得内外层金属管坯同时产生屈服和变形，因而极大改善复合旋压时整体变形的协调性，使得两种材料变形协调一致，从而使得旋压复合过程得以顺利进行；更重要的是，该拉应力的周向分量能够显著增加内层金属管坯的周向变形，使内层金属管坯产生扩径，超过外层金属管坯内径的变化，从而产生外撑效果，使两金属紧密结合，极大地改善了两层金属的界面结合效果，使得两层金属间界面接近或达到冶金结合。必要时，对内层金属管坯同时施加扭矩和轴向张力，扭矩的周向分量还可避免因增加轴向张力而造成的内层金属管坯缩径效应所造成的内外层金属管坯分离的现象。
附图说明
图1为实施例1中双金属复合管材旋压制备方法示意图。
图2为实施例2中双金属复合管材旋压制备方法示意图。
标号说明：1-内层金属管坯，2-外层金属管坯，3-芯模，4-旋轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提供了一种双金属复合管材旋压制备方法，首先将两种不同性能材料的内层金属管坯1和外层金属管坯2预套装在一起，然后在芯模3上进行套装管坯的旋压复合。旋压复合过程中，两种管坯主要发生沿轴向的伸长变形，由于其中内层金属管坯1的强度相对高，其轴向伸长相对困难，会造成内层金属管坯1和外层金属管坯2在轴向伸长不一致，使复合旋压难以进行。此时，在旋压过程中，在相对难变形的内层金属管坯1上施加一个扭矩，所施加的扭矩值可以根据两种材料变形难易程度选择，一般不超过内层材料本身的剪切屈服极限。旋加的扭矩在内层金属管坯1中造成剪切应力，根据等效应力原理，该剪切应力等同于对内层金属管坯1上施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力，该拉应力的轴向分量将促进内层金属管坯1沿轴向的伸长变形，使得两种材料变形协调一致，从而使得旋压复合过程得以顺利进行；更深一层次，该拉应力的周向分量将显著增加内层金属管坯1的周向变形，使内层金属管坯1产生适当的扩径，超过外层金属管坯2内径的变化，从而产生外撑效果，促进了内层金属管坯1与外层金属管坯2的紧密结合，极大地改善了两层金属的界面结合效果，使两层金属的界面结合接近或达到冶金结合。
由于施加扭矩整体上有利于周向变形，为更精确地控制内层金属管坯1的旋压变形，也可同时对内层金属管坯1施加一个轴向张力。同时施加扭矩和轴向张力时，应保证内层金属管坯1不发生塑性变形。所施加的轴向张力值可以根据两种材料变形难易程度选择，一般不超过内层材料本身的拉伸屈服极限的0.5倍。此时，扭矩的周向分量可以避免因施加轴向张力而造成的内层管坯缩径效应所产生的内外层金属管坯界面分离趋势，显著提升界面结合效果。适当控制轴向张力和扭矩的大小，通过扭矩与轴向张力的协同作用，更精确地达到内外层金属管坯变形协调一致及加强界面结合的效果，同时避免扩径效应过大的问题。
实施例1、实施例2分别表示反旋压及正旋压时施加扭矩的情况。
以下实施例，如无特殊说明，操作方法均按常规方法进行。
实施例1
如图1所示，内径40mm，厚1mm的纯铜内层金属管坯1与内径42mm，厚2mm的纯铝外层金属管坯2套装在一起，构成内径40mm，壁厚3mm的复合管坯，将复合管坯套装在芯模3上，复合管坯的尾端抵压在工装上以固定，并在内层金属管坯1的头端施加40Nm的扭矩，施加扭矩的方向与芯模3的旋转方向相反，所旋加的扭矩在内层金属管坯1中造成剪切应力，根据等效应力原理，该剪切应力等同于对内层金属管坯1上施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力。旋压具体工艺参数如表1，旋轮4由复合管坯的头端开始，通过反旋压进行压下量为1mm(减薄率30％)的单道次复合旋压，得到变形协调一致的壁厚2mm的铝铜双金属复合管。将得到的双金属复合管材进行剖分测试，两种材料结合紧密，其界面结合强度超过15MPa，满足管内壁的耐腐蚀及整管热交换的使用要求。
与本实施例形成对比的是，在不加扭矩情况下，采用同样或改进的旋压工艺，由于内层金属管坯2基本不变形，双金属复合难以进行。
表1复合旋压时工艺参数
实施例2
如图2所示，内径100mm，厚2mm的纯钛内层金属管坯1与内径104mm，4mm厚的硬铝合金外层金属管坯2套装在一起，构成内径100mm，壁厚6mm的复合管坯，将复合管坯套装在芯模3上，复合管坯的头端固定在芯模3的头端，并在内层金属管坯1的尾端施加50Nm的扭矩，施加扭矩的方向与芯模3的旋转方向相反，所旋加的扭矩在内层金属管坯1中造成剪切应力，根据等效应力原理，该剪切应力等同于对内层金属管坯1上施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力；同时在内层金属管坯1的尾端施加100MPa的轴向张力。旋压具体工艺参数如表2，旋轮4由复合管坯的头端开始，通过正旋压进行压下量为2mm的单道次复合旋压，得到变形协调一致且结合紧密的壁厚4mm的铝钛双金属复合管。其界面结合强度可达30MPa，满足高温应力及高温腐蚀等动态冲击的使用要求。
与实施例2的对比1，在不加扭矩和轴向张力的情况下，采用同样或改进的旋压工艺，由于内层金属管坯2基本不变形，双金属复合难以进行。
与实施例2的对比2，内径100mm，厚2mm的纯钛内层金属管坯1与内径104mm，4mm厚的硬铝合金外层金属管坯2套装在一起，构成内径100mm，壁厚6mm的复合管坯，将复合管坯套装在芯模3上，复合管坯的头端固定在芯模3的头端，通过试验优选在内层金属管坯1的尾端施加120MPa的轴向张力。旋压具体工艺参数如表2，旋轮4由复合管坯的头端开始，通过正旋压进行压下量为2mm的复合旋压，得到变形基本协调一致的壁厚4mm的铝钛双金属复合管。分析其界面，其结合强度基本为0MPa。
对照结果如表3。旋加扭矩时，两种材料变形协调一致，且增加界面结合效果明显。
表2复合旋压时工艺参数
表3复合旋压界面结合强度
对比1：不加扭矩及张力 对比2：单加张力 实施例2：加扭矩及张力
得不到复合结果 0MPa 30MPa

Claims (5)

1.一种双金属复合管材旋压制备方法，内层金属管坯较外层金属管坯的强度大，其特征在于，在旋压过程中，在相对难变形的内层金属管坯上施加扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所施加扭矩的值根据两种金属管坯变形难易程度选择，且不超过内层金属管坯本身的剪切屈服极限。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据等效应力原理，所旋加的扭矩在内层金属管坯(1)中造成的剪切应力等同于对内层金属管坯(1)上施加一个与轴向呈45度夹角的拉应力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对内层金属管坯施加扭矩的同时，对内层金属管坯施加轴向张力；同时施加扭矩和轴向张力时，应保证内层金属管坯不发生塑性变形。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所施加的轴向张力值根据两种金属管坯变形难易程度选择，且不超过内层金属管坯本身的拉伸屈服极限的0.5倍。
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