CN107160103A - 一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法；步骤一，将待处理的金属复合材料带钢进行高精度复合带钢分条处理；步骤二、再对料头和料尾进行对接以及料两侧除锈处理；步骤三，将复合带钢进入储料器进行储备；步骤四，先进行外壁焊缝连续成型压辊，进入初步挤压成形辊处理，进入辅助挤压辊处理，进入空气驱离设备进行处理，再进入焊接挤压辊第一阶段快速加热挤压焊接程序，再对有色覆层进行快速冷却，进入焊接挤压辊第二阶段快速加热挤压焊接程序；步骤五，二级固化挤压辊，成型，外壁处理，冷却处理，干燥，即可；其中，整个过程中还包括：有色金属覆层焊接部位仿真系统，针对整个生产线焊缝全程监控在线监测检测系统，并予以报警装置。本发明方法制备的产品成品率高、成本低、经济效果明显。

Description

一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法

技术领域

本发明涉及建材领域，具体涉及一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法。

背景技术

经过金属材料行业专业技术人员的多年努力，国内终于可以制造出优质的3系列不锈钢、钛、镍等有色金属与碳钢复合卷板了，此种材质主要是为了实现提高原有材料的性能、降低有色金属80%以上的使用量从而降低成本、达到防腐及卫生的标准。

但新型材料也面临着在实际应用过程中加工手段与工艺方法的严重缺失，所以新材料一直不能广泛的应用。尤其在饮用水、装饰材料、石油化工行业对这种新型材料在制成管道、型材等方面的需求量非常庞大，但目前仅可以实现直径在219毫米，壁厚为3.5毫米以上的管道中采用螺旋焊接方式，成本和效率还可以接受，但在直径为219毫米以下至20毫米，壁厚为1.2-4毫米之间所采用的氩弧焊、等离子焊等方式中焊接速度都只能在每分钟3米以内，明显导致成本居高不下，激光焊的速度虽然说速度上可以达到每分钟10米左右，但其面临两个方向的不足：无法在复合材料领域实现连续生产，不锈钢覆层在管道外壁时无法实现保证质量的焊接、设备成本、生产效率还是低下和使用成本非常高。综合以上原因，还是导致大直径的复合材料管不能被完整的接受，从而使得新型复合材料的优势无法得以体现。

到目前为止，金属材料制管行业主要的制管设备与方法如下：

（1）依赖传统的高频制管生产线来生产单一材质的管道（主要为碳钢材料）。

（2）依赖传统的制管生产线加氩弧焊、等离子焊、激光焊来生产单一材质的管道（不锈钢类有色金属）。

（3）依赖传统工艺来实现不同材质的管道二次复合（也可以说成二次贴敷）。

采用其他方式将有色金属管套嵌在碳钢管上，但工艺复杂，只能单件生产成本高，容易产生夹层易腐蚀与脱落现象。

本行业众所周知，金属复合材料带钢在通过制管/型材机组连续成型，在成型过程中通过高频电源加热，挤压辊实现挤压焊接成型，生产过程中无法完成对碳钢溶液的流向进行有效控制，及具有弱导磁特性的不锈钢与不锈钢进行快速熔焊及其质量的保障，更无法保证碳钢熔液流入或穿透有色覆层，导致复合材料管道/型材制成品失去意义的问题。

由于不锈钢/碳钢复合材料的特性，不适合在焊接成型之前采用液体冷却及传统直缝成型机组精度不高、震动大等性能的不足；针对现有技术的以上缺陷，研制本发明。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明涉及一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法。

本发明的生产方法步骤为：进行的高精度带钢分条、渐进成型、专用辅助模具、空气驱（隔）离、快速加热挤压、金属溶液流动阻断、快速冷却、有色金属覆层焊接部位仿真与报警系统综合为一体的机电一体化设计，用计算机模拟金属复合材料特性产生的数据，对其进行技术参数分析，以检验最大限度的保障金属复合材料在型材的成品质量与控制能力，属于先进制造、先进装备与工艺领域。

为实现以上目的，本发明提供一种基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，将待处理的金属复合材料带钢进行高精度复合带钢分条处理；

步骤二、再对料头和料尾进行对接以及料两侧除锈处理；

步骤三，将复合带钢进入储料器进行储备；

步骤四，进入初步挤压成形辊处理，进入辅助挤压辊处理，进入空气隔离设备进行处理，再进入挤压焊接成型辊的第一阶段快速加热软化开口角成倒V形的形材并通过挤压辊挤压焊接程序，再对有色覆层进行快速冷却，延时进入挤压焊接成型辊的第二阶段持续加热软化并通过挤压辊最终的挤压焊接；第一阶段和第二阶段加热软化与挤压焊接过程中，形材的内部焊缝的下方均有内置托辊来控制在熔融与挤压焊接过程中焊缝成形与挤压余量溢出的处理，形材的焊缝外侧的上方均有外置压辊来控制在熔融与挤压焊接过程中金属流向及焊缝外表面的造型。实现边加热、边挤压焊接、边控制熔融软化状态下的金属流向、边保护有色覆层的原有性能及焊缝表面处理等重要步骤；

步骤五，二级固化挤压辊，成型，外壁处理，冷却处理，干燥，即可；

其中，整个过程中还包括：有色金属覆层焊接部位仿真系统，针对整个生产线焊缝全程监控在线监测检测系统，并予以报警装置。

优选的，步骤一中，所述高精度复合带钢分条处理具体步骤为：

（1）在分条机的进料口控制原材料的平整度与扭曲度；

（2）在分条机的分条段采用保护措施，防止分出来的条产生翘曲、径向和轴向的变形、边缘产生毛刺、控制好条钢的宽度精度；

（3）在收卷机收卷之前要增加去边缘毛刺装置，同时要保护好原材料不被损伤；

（4）在收卷结束不能产生应力，防止原材料因应力存在而产生扭曲。

进一步地，挤压动力与精度：在整条的生产线当中将最关进部位进行重新设计并制造出相应的工段，用来将复合材料带钢按照成品工件的尺寸要求要求挤压成型。

要求将原有的普通直流电机更换成交流伺服（或在高质量的交流电机上增加编码器）电机与伺服驱动器，确保转动扭矩与转速稳定，提高原有设备减速机构的精度，确保在高速成型状态下的工件不会产生抖动、直缝位置产生左右偏差、移动速度不稳定现象。

优选的，步骤（2）中，所述宽度精度的误差控制在0.05毫米以内。

优选的，步骤四中，所述辅助挤压辊分为造型挤压辊和焊接挤压辊，用于改变管道或型材成型的形状，同时获取轴向与径向的开口角，满足直缝焊口的焊接与成型要求。

优选的，所述造型挤压辊：通过机组的动力系统，让复合带钢在设计好的造型挤压辊中间通过，使复合带钢按设计好的形状成型。

优选的，所述焊接挤压辊为焊接挤压辊的第一阶段和第二阶段。

进一步地，为实现分层焊接的需要，将带钢通过多级辅助造型挤压辊碾压成想要的形状并形成一条直缝，在最终形成及挤压焊接前达到设定的轴向与径向开口角，确保在进入挤压辊之前和挤压焊接过程中的直缝厚度方向成倒V形。成型时直缝的两侧原材料要对称，有色金属覆层不得有超过5%以上的错位现象发生，确保有色覆层能有90%的直接对焊截面。

优选的，所述焊接挤压辊挤压量（是指带钢在分条时预留的挤压焊接余量）通过第一阶段挤压20%-60%（将根据有色覆层在整个复合材料厚度中的实际占比）；主要是为了将有色覆层和少量的碳钢层予以挤压焊接完成，挤压过程中确保碳钢层溶液不会向有色覆层金属内流动，同时在外壁供应惰性气体，将挤压焊接完成后的不锈钢层进行冷却，继续通过生产线将焊接面进入到焊接挤压辊的第二阶段，所述挤压辊第二阶段的挤压量为80%-40%。

进一步地，本发明涉及的快速加热：采用一定功率和专用频率的电源实现快速加热，确保在挤压焊接成型过程中产生足够的热源及热源的保持。

采用输出稳定的加热电源，确保加热速度快、热影响区域小、加热稳定性强。因采用了分层挤压焊接和快速对不锈钢层焊接完成后进行的快速冷却固化，在冷却固化过程中也会对碳钢层形成了一定的冷却，所以在加热方式上本发明已经考虑到碳钢层持续加热的问题，确保碳钢层在挤压焊接过程中不会因不锈钢层被降温而导致碳钢层无法挤压焊接，确保整个型材的焊接质量。

优选的，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有对焊接挤压辊进行冷却降温的装置，防止挤压辊因长时间受热损坏。

优选的，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有用来保护有色金属覆层的材质不被基层金属因融液在加热和挤压过程产生流动而被混合的金属溶液流动阻断装置。

进一步地，空气驱离设备：用来满足有色金属覆层的抗氧化、快速冷却、保证焊接质量。

具备一定的密封性，除了向对称焊接挤压辊、复合材料管的外面供不同的压力气体外，将不允许在此控制器区域外存在其他介质气体（如空气等）；

因为空气当中含有氧气与水分，与高温进行混合时会导致焊接部位（尤其是有色金属部分）产生氧化物（如不锈钢会产生氧化镍、氧化锆等物质），影响焊接质量，降低焊接与原材料的性能，直接会导致不锈钢层的耐腐蚀性能下降。因此本发明将会利用惰性气体（如氮气）的性能，在次设备设施外产生一定的压力，将关键部位的空气进行驱（隔）离，防止焊接面产生氧化，保障材料性能及焊接品质。

可以为对称的焊接挤压辊提供冷却，防止挤压辊在长时间高温状态下被损坏。

根据不锈钢要求快冷的特性，在不锈钢层焊接完成后，对不锈钢层快速进行气体冷却，尽可能的保证不锈钢材质不产生大的变化并形成一定程度上的固化；同步实现改变或控制碳钢在挤压焊接过程中的溶液流动方向，防止碳钢材质渗入甚至因挤压穿透不锈钢层；其中，设备上设置一处观察窗口，便于监控加热与挤压焊接区域的工作状态；

优选的，所述有色金属覆层焊接部位仿真系统：检测并自动调整有色金属覆层实时的成型与焊接质量；所述在线监测检测系统：针对整个生产线焊缝全程监控，并予以报警。

进一步地，所述有色金属覆层焊接部位仿真：检测并自动调整有色金属覆层实时的成型与焊接质量；对焊接部位进行计算机仿真，实现对焊接质量进行在线监测，并能自动调整相应的机械机构，使得达到所要求的焊接质量。所述在线监测检测系统：针对整个生产线焊缝全程监控，并予以报警；通过磁性在线检测装置来检测焊接过程，确保型材在挤压焊接过程中的焊接质量，在不合格的产品外表面直接自动标记，甚至直接将生产线停止运行，便于最终用户操作工及时发现问题，保证质量、减少浪费。

更进一步地，本发明还可增加的辅助设施：根据各种用户的实际需要，可以在生产线上增加：挂卷端、活套、定径段、在线退火段、在线冷却段、在线抛光段、在线捆扎段等。

本发明涉及的是有色覆层朝向为外壁，生产速度≥7米/每分钟，其生产总流程工艺为：

首卷挂卷——开卷——卷头夹持与拖送——卷头进矫平机——卷头横切与去毛刺——两侧边除锈与去毛刺——储料器——成型首辊——成型尾棍——包住内部托架——进入高频感应线圈——外壁焊缝连续成型压辊——进入一级挤压辊超前加热软化与初级挤压焊接——进入一级挤压辊持续加热软化与全面挤压焊接——进入二级固化挤压辊——外壁碾压辊——定型或定径——外壁焊缝修磨——成品冷却区——焊缝涡流检测——定尺切割——次品分离与剔除——端头倒角与修正——耐压检测——次品分离与剔除——成品表面干燥处理——单件表面喷码——码垛——捆扎——挂标签——入库。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明将复合材料在制管与型材制造过程中，实现高质量的制成品；本发明将成型工艺、设备精度、设备振动、高频电源加热工艺、焊缝保护、挤压方式、焊接速度、能源分配等综合因素的合理匹配，进而解决上述因传统设备工艺与方法不能在保证质量且无法实现将已复合完成的金属复合材料高速（根据原材料厚度每分钟可达7-100米速度）状态下保证焊接质量与成型的问题。

（2）本发明方法制备的产品成品率高、成本低、经济效果明显。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种基于层状金属复合为外壁的管材/型材的制备方法：所述方法包括以下步骤：

步骤一，将待处理的金属复合材料带钢进行高精度复合带钢分条处理；

步骤二、再对料头和料尾进行对接以及料两侧除锈处理；

步骤三，将复合带钢进入储料器进行储备；

步骤四，进入初步挤压成形辊处理，进入辅助挤压辊处理，进入空气隔离设备进行处理，再进入挤压焊接成型辊的第一阶段快速加热软化倒V形开口角的形材并通过挤压辊挤压焊接程序，再对有色覆层进行快速冷却，延时进入挤压焊接成型辊的第二阶段持续加热软化并通过挤压辊最终的挤压焊接。第一阶段和第二阶段加热软化与挤压焊接过程中，形材的内部焊缝的下方均有内置托辊或刮刀来控制在熔融与挤压焊接过程中产生的焊缝焊渣的成形，外表面焊缝上方设置压辊控制在熔融与挤压焊接过程中的金属流向。实现边加热、边挤压焊接、边控制熔融状态下的金属流向、边保护有色覆层的材质等重要步骤；

步骤五，二级固化挤压辊，成型，外壁处理，冷却处理，干燥，即可；

其中，整个过程中还包括：有色金属覆层焊接部位仿真系统，针对整个生产线焊缝全程监控在线监测检测系统，并予以报警装置。

优选的，步骤一中，所述高精度复合带钢分条处理具体步骤为：

（1）在分条机的进料口控制原材料的平整度与扭曲度；

（2）在分条机的分条段采用保护措施，防止分出来的条产生翘曲、径向和轴向的变形、边缘产生毛刺、控制好条钢的宽度精度；

（3）在收卷机收卷之前要增加去边缘毛刺装置，同时要保护好原材料不被损伤；

（4）在收卷结束不能产生应力，防止原材料因应力存在而产生扭曲。

进一步地，挤压动力与精度：在整条的生产线当中将最关进部位进行重新设计并制造出相应的工段，用来将复合材料带钢按照成品工件的尺寸要求要求挤压成型。

要求将原有的普通直流电机更换成交流伺服（或在高质量的交流电机上增加编码器）电机与伺服驱动器，确保转动扭矩与转速稳定，提高原有设备减速机构的精度，确保在高速成型状态下的工件不会产生抖动、直缝位置产生左右偏差、移动速度不稳定现象。

优选的，步骤（2）中，所述宽度精度的误差控制在0.05毫米以外。

优选的，步骤四中，所述辅助挤压辊分为造型挤压辊和焊接挤压辊，用于改变管道或型材成型的形状，同时获取轴向与径向的开口角，满足直缝焊口的焊接与成型要求。

优选的，所述造型挤压辊：通过机组的动力系统，让复合带钢在设计好的造型挤压辊中间通过，使复合带钢按设计好的形状成型。

优选的，所述焊接挤压辊为第一级焊接挤压辊和第二级焊接挤压辊。

进一步地，为实现分层焊接的需要，将带钢通过多级辅助造型挤压辊碾压成想要的形状并形成一条直缝，在最终形成及挤压焊接前达到设定的轴向与径向开口角，确保在进入挤压辊之前和挤压焊接过程中的直缝厚度方向成倒V形。成型时直缝的两侧原材料要对称，有色金属覆层不得有超过5%以上的错位现象发生，确保有色覆层能有90%的直接对焊截面。

优选的，所述焊接挤压辊第一阶段挤压量（是指带钢在分条时预留的挤压焊接余量）为20%-60%（将根据有色覆层在整个复合材料厚度中的实际占比）；主要是为了将有色覆层和少量的碳钢层予以挤压焊接完成，挤压过程中确保碳钢层溶液不会向有色覆层金属内流动，同时在外壁供应惰性气体，将挤压焊接完成后的不锈钢层进行冷却，继续通过生产线将型材进入到焊接挤压辊的第二阶段，所述挤压辊第二阶段的挤压量为80%-40%。挤压辊第二阶段进行挤压时除了将属于挤压量挤压焊接完成之外，还会起到一个稳定焊接的作用，防止因原材料本身的张力导致直缝焊口的向外撕裂。进一步地，本发明涉及的快速加热：采用一定功率和专用频率的电源实现快速加热，确保在挤压焊接成型过程中产生足够的热源及热源的保持。

采用输出稳定的加热电源，确保加热速度快、热影响区域小、加热稳定性强。因采用了分层挤压焊接和快速对不锈钢层焊接完成后进行的快速冷却固化，在冷却固化过程中也会对碳钢层形成了一定的冷却，所以在加热方式上本发明已经考虑到碳钢层持续加热的问题，确保碳钢层在挤压焊接过程中不会因不锈钢层被降温而导致碳钢层无法挤压焊接，确保整个型材的焊接质量。

优选的，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有对焊接挤压辊进行冷却降温的装置，防止挤压辊因长时间受热损坏。

优选的，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有用来保护有色金属覆层的材质不被基层金属因融液在加热和挤压过程产生流动而被混合的金属溶液流动阻断装置。

进一步地，空气驱离设备：用来满足有色金属覆层的抗氧化、快速冷却、保证焊接质量。

具备一定的密封性，除了向对称焊接挤压辊、复合材料管的外外面供不同的压力气体外，将不允许在此控制器区域外存在其他介质气体（如空气等）；

因为空气当中含有氧气与水分，与高温进行混合时会导致焊接部位（尤其是有色金属部分）产生氧化物（如不锈钢会产生氧化镍、氧化锆等物质），影响焊接质量，降低焊接与原材料的性能，直接会导致不锈钢层的耐腐蚀性能下降。因此本发明将会利用惰性气体（如氮气）的性能，在次设备设施外产生一定的压力，将关键部位的空气进行驱（隔）离，防止焊接面产生氧化，保障材料性能及焊接品质。

可以为对称的焊接挤压辊提供冷却，防止挤压辊在长时间高温状态下被损坏。

根据不锈钢要求快冷的特性，在不锈钢层焊接完成后，对不锈钢层快速进行气体冷却，尽可能的保证不锈钢材质不产生大的变化并形成一定程度上的固化；同步实现改变或控制碳钢在挤压焊接过程中的溶液流动方向，防止碳钢材质渗入甚至因挤压穿透不锈钢层；其中，设备上设置一处观察窗口，便于监控高频感应系统的工作状态；

优选的，所述有色金属覆层焊接部位仿真系统：检测并自动调整有色金属覆层实时的成型与焊接质量；所述在线监测检测系统：针对整个生产线焊缝全程监控，并予以报警。

进一步地，所述有色金属覆层焊接部位仿真：检测并自动调整有色金属覆层实时的成型与焊接质量；对焊接部位进行计算机仿真，实现对焊接质量进行在线监测，并能自动调整相应的机械机构，使得达到所要求的焊接质量。所述在线监测检测系统：针对整个生产线焊缝全程监控，并予以报警；通过磁性在线检测装置来检测焊接过程，确保型材在挤压焊接过程中的焊接质量，在不合格的产品外表面直接自动标记，甚至直接将生产线停止运行，便于最终用户操作工及时发现问题，保证质量、减少浪费。

更进一步地，本发明还可增加的辅助设施：根据各种用户的实际需要，可以在生产线上增加：挂卷端、活套、定径段、在线退火段、在线冷却段、在线抛光段、在线捆扎段等。

综上所述：本发明制备方法是将复合材料（有部分复合材料因轧制而产生的带钢两侧厚薄不均的现象）在制管与型材制造过程中实现高质量的制成品在成型工艺、设备精度、设备振动、高频电源加热工艺、焊缝保护、挤压方式、焊接速度、能源分配及材料性能保护等综合因素的合理匹配，克服并解决上述传统设备工艺与方法不能在保证质量的前提下无法实现将已复合完成的金属复合材料高速（根据原材料厚度每分钟可达7-100米速度）状态下保证焊接质量与成型的问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围外做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，将待处理的金属复合材料带卷进行高精度分条处理；

步骤二、再对料头和料尾进行对接以及料两侧除锈处理；

步骤三，将复合带钢进入储料器进行储备；

步骤四，进入初步挤压成形辊处理，进入辅助挤压辊处理，进入空气隔离设备进行处理，再进入挤压焊接成型辊的第一阶段快速加热软化开口角成倒V形的形材并通过挤压辊挤压焊接程序，再对有色覆层进行快速冷却，延时进入挤压焊接成型辊的第二阶段持续加热软化并通过挤压辊最终的挤压焊接；

步骤五，二级固化挤压辊，成型，外壁处理，冷却处理，干燥，即可；

其中，整个过程中还包括：有色金属覆层焊接部位仿真系统，针对整个生产线焊缝全程监控在线监测检测系统，并予以报警装置。

2.如权利要求1所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述高精度复合带钢分条处理具体步骤为：

（1）在分条机的进料口控制原材料的平整度与扭曲度；

（2）在分条机的分条段采用保护措施，防止分出来的条产生翘曲、径向和轴向的变形、边缘产生毛刺、控制好条钢的宽度精度；

（3）在收卷机收卷之前要加设去边缘毛刺装置，使得原材料不被损伤；

（4）在收卷结束不能产生应力，防止原材料产生扭曲。

3.如权利要求2所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述宽度精度的误差小于0.05毫米。

4.如权利要求1所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述辅助挤压辊分为造型挤压辊和焊接挤压辊，用于改变管道或型材成型的形状，同时获取轴向与径向的开口角，满足直缝焊口的焊接与成型要求。

5.如权利要求4所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，所述造型挤压辊：通过机组的动力系统，让复合带钢在设计好的造型挤压辊中间通过，使复合带钢按设计好的形状成型。

6.如权利要求4所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，所述焊接挤压辊为焊接挤压辊的第一阶段和第二阶段。

7.如权利要求6所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，所述第一级焊接挤压辊挤压量为20%-60%；所述第二级挤压辊的挤压量为80%-40%。

8.如权利要求1所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有对焊接挤压辊进行冷却降温的装置，防止挤压辊因长时间受热损坏。

9.如权利要求1所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述空气驱离设备还包含有用来保护有色金属覆层的材质不被基层金属因融液在加热和挤压过程产生流动而被混合的金属溶液流动阻断装置。

10.如权利要求1所述的基于层状金属复合材料为外壁的管材/型材的制备方法，其特征在于，所述有色金属覆层焊接部位仿真系统：检测并自动调整有色金属覆层实时的成型与焊接质量；所述在线监测检测系统：针对整个生产线焊缝全程监控，并予以报警。