CN109175061B - 一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法，其将异种材料管材焊接成的管坯同内置于管坯内的内覆管置于气胀成形模具内，并通过密封推头、弹性密封块等对管坯两端进行密封；利用推杆的进退调整柔性铜块位置实现局部区域加热；向内覆管内充入高压气体使管坯快速贴模，同时推动推头进行补料；成形完成后，停止加热，泄除管坯内的高压气体，取出成形后的双层管件，并通过酸洗去除内覆管，获得最终管件。本发明的装置及方法适用于异种材料管材胀形，通过局部加热和覆板胀形，解决了现有异种材料管坯胀形时的变形不协调、焊缝破裂等问题，本发明亦可用于多个膨胀区管件的逐步成形，满足航空航天等多领域急切需求，实用价值高。

Description

一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法，属于金属板或管、棒或型材加工处理领域。

背景技术

为了获得理想的结构强度，适应特定的使用环境，管状零件常具有复杂的轴线以及沿轴线方向不断变化的截面形状和尺寸，该类管件多用于汽车、航空、航天等领域，如进气道、燃烧室、尾喷管等；同时，为满足轻质减重、服役性能好、安全可靠等要求，常采用在管坯内部施加较高压力使管坯发生胀形的加工方法。

事实上，针对尾喷管、进气道等高温服役复杂管件，在使用过程中，各区域的服役温度和要求是不同的，因而，一般采用异种材料连接的方式，在保证服役温度等条件的同时，减轻复杂截面管件的重量；然而，采用焊接等工艺连接时，焊接难度大，且引入焊接残余应力、焊缝位置破坏了管件的曲面整体性等问题；为此，希望采用管件整体成形的思路，一次整体气胀成形复杂截面管件。

但由于异种材料的强度差异明显，其所需的变形条件苛刻，相同温度下变形时，易出现严重的变形不协调、焊缝缺陷、破裂等问题，极大增加了异种材料焊接管件整体高温气胀成形难度。随着异种材料复杂截面管件在航空航天、汽车、船舶等领域的急切需求，迫切地需要一种高效、精确成形、简便有效、切实可行的成形方法解决此类难题，来实现此类管件的精确制造。

在已公开的现有技术中，

专利CN106216481A，2016-12-14公开了一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法，其通过对圆截面管坯内部充入具有一定压力的压力介质，然后驱动侧向挤压模具对变直径圆截面管坯进行挤压，得到大截面差异形截面管件。该发明有效的解决大截面异形截面管件的成形，但对截面复杂，胀形高度较高，需补料的成形件而言，采用一种材料胀形无法达到较好的成形质量。

专利CN104607524A，2015-05-13公开了一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置及方法，采用先将板料拼焊成一个整体后进行拉伸成形，可以有效减少焊缝，提高大型板料的成形性能。但对于异种材料拼焊而成的管料而言，该方法无法实现，因为异种材料焊接管件在高温成形过程中变形程度是不同的，很容易导致管料在成形时发生破裂和起皱。

专利CN102601200A，2012-07-25公开了一种板料梯温拉深成形方法及设备，该方法通过改变传热接触面改变热传递过程，使毛坯凸缘部位形成从凹模圆角至凸缘边缘呈上升趋势分布的梯度温度。其结构简单、制造成本较低，但是在零件接触的表面温度分布并不均匀。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种异种材料复杂截面管件电辅助加热气胀成形装置及成形方法，该装置及方法可有效解决异种材料在成形过程中的变形不协调、焊缝易破裂、管件的大膨胀率区域变形减薄严重等问题，实现异种材料复杂截面管件的快速成形。

本发明采用的技术方案为：

一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置，其包括：置于由异种材料的管件焊接而成的管坯9内并与其间隙配合的内覆管10、套在管坯9上的气胀成形模具8、两侧各一且伸入内覆管10内的电加热组件和位于内覆管10两端的密封挤压充气组件。

进一步地，所述密封挤压充气组件包括：

左侧压头6和右侧压头12，其分别套在管坯9的两端并与管坯9固定连接；

左密封推头4，其沿轴向开有供所述电加热组件穿过的中心孔，并与左侧压头6通过螺栓5连接；

右密封推头13，其沿轴向开有供所述电加热组件穿过的中心孔，并与右侧压头12通过螺栓5连接；

两推头密封装置，其分别对应与左密封推头4和右密封推头13连接，对左密封推头4和右密封推头13的中心孔进行密封；

左密封推头4和右密封推头13沿周向均开有圆锥梯阶面，且所述圆锥梯阶面对应与内覆管10两端的管口外壁面配合，锁紧螺栓5，实现自锁死密封；

左密封推头4或右密封推头13上开有沿轴线方向且贯通的充气口3。

进一步地，所述推头密封装置包括：与左密封推头4或右密封推头13通过螺钉15连接的密封压块14和设置在密封压块14与左密封推头4、密封压块14与右密封推头13之间的聚氨酯弹性密封块16。

进一步地，所述电加热组件包括：置于内覆管10内并与其接触的柔性铜块11、与柔性铜块11连接且穿过左密封推头4或右密封推头13的中心孔的导线1以及与导线1相连的电源17。

进一步地，所述电加热组件还包括：与柔性铜块11连接并穿过左密封推头4或右密封推头13的中心孔且为中空结构的推杆2；导线1穿过推杆2；

推动推杆2可使柔性铜块11沿内覆管10作轴向滑动，转动推杆2可实现柔性铜块11的自扩自缩。

进一步地，所述成形装置还包括：套在管坯9上且位于气胀成形模具8两侧的约束套环7。

一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形方法，包括以下步骤：

步骤一、确定待成形的异种材料复杂截面管件的若干横截面的周长及等效直径，进而确定气胀成形模具8的内型腔结构及密封推头的尺寸和初始位置；

步骤二、将异种材料管材用激光焊接、电子束焊接或其他有效连接方式进行连接，并截取一段，获得等直径圆截面的管坯9，然后，对内覆管10的表面喷涂润滑剂或喷砂处理调节其表面摩擦系数，并将内覆管10伸入管坯9中，构成间隙配合的双层管，接着，将该双层管放入气胀成形模具8中，胀形模具合模夹紧管坯9；

步骤三、将连接有推杆2的柔性铜块11伸入内覆管10内部设定位置，旋转推杆2，实现柔性铜块11的自扩锁紧；柔性铜块11连接有导线1，导线1自推杆2穿出后与电源17相连；

步骤四、在管坯9的两侧套多个约束套环7，然后，用左侧压头6和右侧压头12夹紧管口外壁区域，并将左侧压头6和右侧压头12与管坯9固定连接；

左密封推头4和右密封推头13通过螺栓5与左侧压头6和右侧压头12对应连接，锁紧螺栓5，使左密封推头4和右密封推头13挤压内覆管10的管口，达到密封的效果；

两推杆2分别穿过左密封推头4和右密封推头13，并套上聚氨酯弹性密封块16与密封压块14，拧紧螺钉15，使压块14挤压聚氨酯弹性密封块16，达到密封效果；

步骤五、接通电源17，按设定电压，通过与内覆管10接触的柔性铜块11给内覆管10通电，使内覆管10升温，并通过热传导加热管坯9，当管坯9达到设定温度时，通过左密封推头4或右密封推头13上的充气口3向内覆管10的内部充入设定压力的气体，使管坯9胀形，同时，施加轴向力F，使左密封推头4和右密封推头13按照匹配路径缓缓推进对管坯9进行补料，最后获得与气胀成形模具8内型腔一致的复杂截面双层管件；

步骤六、在保温保压1-3min后，切断电源17，将管坯9内部压力卸除，卸载气胀成形模具8的合模压力，松开螺栓5，退回左密封推头4和右密封推头13，取出成形后的双层管件，通过酸洗去除内覆管10，最终获得异种材料复杂截面管件。

进一步地，步骤五中，完成补料后，进退推杆2使柔性铜块11移至管坯9的其他待加工部位，重复步骤五，实现分段加热气胀成形。

进一步地，内覆管10的壁厚分布及通电加热升温的电流基于公式

进行控制；式中，T—温度；t—导电时间；R—内覆管10的电导率；c—内覆管10的比热；ρ—内覆管10的密度；I—通电电流；S—内覆管10的横截面积。

进一步地，步骤五中，充气口3充入气体的压力为0-15Mpa；所述气体为压缩空气或氮气。

本发明的原理在于：

将异种材料管材通过激光焊接或其他方式制成管坯，在管坯内插入内覆管，通过柔性铜块对内覆管进行通电，推杆的进退可以调节管内的加热区间，达到分段加热的效果；在密封推头上开有与内覆管内部连通的充气孔，压力气瓶与密封推头的充气孔之间通过高压气管密封连接；在内覆管内部通入高压气体，推动异种材料焊管变形直至贴模完成成形；在胀形过程中，通过两侧密封推头轴向进给，使得管坯向中间胀形区域进行有效补料；成形完成后，停止加热，卸除内覆管内部的气压，待管件冷却后拆除装夹装置，取出成形后的双层管件，通过酸洗去除内覆管，最终获得异种材料复杂截面管件。

本发明的有益效果在于：

1)应用本发明实现异种材料复杂截面管件的气胀成形，可依据公式(1)改变内覆管壁厚分布及电加热的电流大小，实现对异种材料管坯的温度分布的较为精确的控制；两种难变形材料焊接管，例如，钛合金和Ti2AlNb焊管，钛合金适宜变形温度为800～900℃，Ti2AlNb适宜变形温度为950～1000℃，两种材料在相同温度下出现明显变形不协调，通过非均匀壁厚内覆管实现非均匀温度场具有显著意义；

2)通过内部加热加压的方法，使异种材料管坯直接胀形至贴合模具，有效地解决了整体热成形中因模具型腔热胀冷缩引起的管件形状和尺寸变化，保证最终成形管件的尺寸精度；

3)通过对内覆管的表面喷涂润滑剂或喷砂处理，适当减少或增加内覆管与异种材料管坯之间的摩擦力至合理范围(不同强度的管件之间值不一样，需根据具体情况模拟确定)，促进异种材料管坯的变形协调性，避免因局部严重变形造成的壁厚严重减薄、破裂等问题；

4)在气胀过程中，通过左右推头的轴向移动向气胀区域进行补料，增加成形区间的有效材料，防止管坯大变形区域壁厚大量减薄，改善成形管件壁厚分布；

5)采用电流加热的方法，实现变形区域的快速有效加热，并通过高压气体，实现管件的快速成形，大大提高复杂截面管件的成形效率；

6)采用自锁死的管段密封方式，可以实现管材成形过程中，高压气体的有效安全密封，且在轴向补料过程中，不会破坏密封方式，密封可靠；

此外，该异种材料复杂截面管件的可调节局部区域电加热气胀成形装置按照不同的需求，可以适用于中大型曲面管件成形的小批量、多样化产品的生产。

附图说明

图1为本发明的电辅助加热气胀成形方法的流程图；

图2为异种材料对焊管坯连接示意图；

图3为本发明的电辅助加热气胀成形装置成形一个膨胀区域管件的初始状态的剖视图；

图4为内部套有内覆管的管坯的局部剖面图；

图5为本发明的电辅助加热气胀成形装置成形一个膨胀区域管件完成状态的剖视图；

图6为左侧压头或右侧压头的结构示意图；

图7为本发明的电辅助加热气胀成形装置成形多个膨胀区域管件的初始状态的剖视图；

图8为本发明的电辅助加热气胀成形装置成形多个膨胀区域管件的中间状态的剖视图；

图中标识：1-导线，2-推杆，3-充气口，4-左密封推头，5-螺栓，6-左侧压头，7-约束套环，8-气胀成形模具，9-管坯，10-内覆管，11-柔性铜块，12-右侧压头，13-右密封推头，14-密封压块，15-螺钉，16-聚氨酯弹性密封块，17-电源，F-轴向力。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，待加工的管坯9由材料为A的管件与材料为B的管材焊接而成；

如图3所示的异种材料复杂截面管件的电辅助加热气胀成形装置，

包括：置于管坯9内并与其间隙配合的壁厚非均匀分布的内覆管10、套在管坯9上的气胀成形模具8、套在管坯9上且位于气胀成形模具8两侧的约束套环7、对应套在管坯9的两端并与其焊接连接的左侧压头6和右侧压头12、与左侧压头6通过螺栓5连接且一端伸入内覆管10内的左密封推头4、与右侧压头12通过螺栓5连接且一端伸入内覆管10内的右密封推头13、两侧各一且伸入内覆管10内的电加热组件以及两侧的推头密封装置；

左密封推头4和右密封推头13沿轴线方向均开有贯通的中心孔，左密封推头4沿轴线方向还开有贯通的充气口3；

左密封推头4和右密封推头13沿周向均开有圆锥梯阶面，且对应与内覆管10两端的管口外壁面贴合，锁紧螺栓5，可实现固定的自锁死密封；

左侧压头6和右侧压头12的结构如图6所示，由两个径向对称的夹具组成，夹具的内缘与被包夹的管坯9匹配，夹具上开有用于连接的通孔；

电加热组件包括：置于内覆管10内与其接触且可沿其作轴向运动的柔性铜块11、与柔性铜块11连接并穿过左密封推头4或右密封推头13的中心孔且为中空结构的推杆2、穿过推杆2并与柔性铜块11连接的导线1以及与导线1相连的电源17；

转动推杆2可实现柔性铜块11的自扩自缩(该结构参考中国专利“CN106884836A，2017-06-23，一种自扩式膨胀螺栓”)。

推头密封装置包括：套在推杆2上并与左密封推头4或右密封推头13通过螺钉15连接的密封压块14，和设置在密封压块14与左密封推头4或右密封推头13之间的聚氨酯弹性密封块16。

一种异种材料复杂截面管件的可调节局部区域电加热气胀成形方法，参照图1-6，其包括以下步骤：

步骤一、确定待成形的异种材料复杂截面管件上若干横截面的周长及等效直径，进而确定气胀成形模具8的内型腔结构及密封推头的尺寸和初始位置；

步骤二、将异种材料管材用激光焊接、电子束焊接或其他有效连接方式进行连接，并截取一段，获得等直径圆截面的管坯9，然后，对内覆管10的表面喷涂润滑剂或喷砂处理以调节其表面摩擦系数，并将内覆管10伸入管坯9中，构成间隙配合的双层管，接着，将双层管放入到气胀成形模具8中，胀形模具合模夹紧等直径圆截面的管坯9；

步骤三、将带有推杆2的柔性铜块11伸入内覆管10内部设定位置，旋转推杆2，实现柔性铜块的自扩锁紧；柔性铜块11连有电线1，电线1自推杆2穿出后与电源17相连；

步骤四、在管坯9的两侧套多个约束套环7，然后，将左侧压头6和右侧压头12下压并夹紧管口外壁区域，将左侧压头6和右侧压头12与管坯9焊死；

左密封推头4和右密封推头13通过螺栓5与左侧压头6和右侧压头12对应连接，并通过锁紧螺栓5，使左密封推头4和右密封推头13对内覆管10的管口有挤压作用，达到密封效果；

两推杆2分别穿过左密封推头4和右密封推头13并套上聚氨酯弹性密封块16与密封压块14，通过拧紧螺钉15，使压块14挤压聚氨酯弹性密封块16，达到密封效果；

步骤五、接通电源17，按设定电压，通过与内覆管10接触的柔性铜块11给内覆管10通电，使内覆管10升温，并通过热传导加热管坯9，当管坯9达到设定温度时，通过左密封推头4上的充气口3向内覆管10的内部充入压力为0-15Mpa的压缩空气或氮气，使管坯9胀形，同时，施加轴向力F，使左密封推头4和右密封推头13按照匹配路径缓缓推进对管坯9进行补料，最后获得与气胀成形模具8内型腔一致的复杂截面管件；

步骤六、在保温保压1-3min后，切断电源17停止加热，将管坯9内部压力卸除，卸载气胀成形模具8的合模压力，松开螺栓5，退回左密封推头4和右密封推头13，待管件冷却后拆除装夹装置，取出成形后双层管，通过酸洗去除内覆管10，最终获得异种材料复杂截面管件。

实施例二

如图2所示，待加工的管坯9由材料为A的管件与材料为B的管件焊接而成；

异种材料复杂截面管件的可调节局部区域电加热气胀成形装置，如图7所示，其与实施例一中的气胀成形装置的区别在于：气胀成形模具8的内型腔的结构不同，实施例一中的气胀成形模具8的内型腔为一个周向曲面凹腔，而实施例二中的气胀成形模具8的内型腔为两个相间的不同截面的周向曲面凹腔。

一种异种材料复杂截面管件的可调节局部区域电加热气胀成形方法，参照图1、2、6、7和8，该方法的步骤一至五与实施例一中的成形方法相同，区别在于，该实施例二的后续步骤为：

步骤六、松开螺钉15，将带有推杆2的柔性铜块11伸入覆管内部达到所需成形的下一个区间位置，旋转推杆2实现柔性铜块11的自扩锁紧；

然后，重复步骤五和六，直至成形区域全部完成；

步骤七、在保温保压1-3min后，切断电源17停止加热，将管坯9内部压力卸除，卸载气胀成形模具8的合模压力，松开螺栓5，退回左密封推头4和右密封推头13，待管件冷却后拆除装夹装置，取出成形后双层管，通过酸洗去除内覆管10，最终获得异种材料复杂截面管件。

应当指出的是：在对管件成形前，需要依据异种材料管材和内覆管所需的成形温度，利用公式

确定内覆管10的壁厚分布并计算出通电所需的电流大小，式中，T—温度；t—导电时间；R—内覆管10的电导率；c—内覆管10的比热；ρ—内覆管10的密度；I—通电电流；S—内覆管10的横截面积；

此外，还需根据有限元模拟获得的气压-时间加载曲线对管内腔体加压；同时，需模拟仿真求解出材料轴向补料与胀形气压的匹配关系，确保在加载气胀胀形时，推头按照补料加载路径对中间胀形区域进行有效补料。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置，其特征在于，包括：置于由异种材料的管件焊接而成的管坯（9）内并与其间隙配合的内覆管（10）、套在管坯（9）上的气胀成形模具（8）、两侧各一且伸入内覆管（10）内的电加热组件和位于内覆管（10）两端的密封挤压充气组件；

其中，所述电加热组件包括：置于内覆管（10）内并与其接触的柔性铜块（11），与柔性铜块（11）连接且穿过左密封推头（4）或右密封推头（13）的中心孔的导线（1）以及与导线（1）相连的电源（17）、与柔性铜块（11）连接并穿过左密封推头（4）或右密封推头（13）的中心孔且为中空结构的推杆（2）、导线（1）穿过推杆（2）；

推动推杆（2）可使柔性铜块（11）沿内覆管（10）作轴向滑动，转动推杆（2）可实现柔性铜块（11）的自扩自缩。

2.根据权利要求1所述的异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置，其特征在于，所述密封挤压充气组件包括：

左侧压头（6）和右侧压头（12），其分别套在管坯（9）的两端并与管坯（9）固定连接；

左密封推头（4），其沿轴向开有供所述电加热组件穿过的中心孔，并与左侧压头（6）通过螺栓（5）连接；

右密封推头（13），其沿轴向开有供所述电加热组件穿过的中心孔，并与右侧压头（12）通过螺栓（5）连接；

两推头密封装置，其分别对应与左密封推头（4）和右密封推头（13）连接，对左密封推头（4）和右密封推头（13）的中心孔进行密封；

左密封推头（4）和右密封推头（13）沿周向均开有圆锥梯阶面，且所述圆锥梯阶面对应与内覆管（10）两端的管口外壁面配合，锁紧螺栓（5），实现自锁死密封；

左密封推头（4）或右密封推头（13）上开有沿轴线方向且贯通的充气口（3）。

3.根据权利要求2所述的异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置，其特征在于，所述推头密封装置包括：与左密封推头（4）或右密封推头（13）通过螺钉（15）连接的密封压块（14）和设置在密封压块（14）与左密封推头（4）、密封压块（14）与右密封推头（13）之间的聚氨酯弹性密封块（16）。

4.根据权利要求1所述的异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置，其特征在于，所述成形装置还包括：套在管坯（9）上且位于气胀成形模具（8）两侧的约束套环（7）。

5.一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定待成形的异种材料复杂截面管件的若干横截面的周长及等效直径，进而确定气胀成形模具（8）的内型腔结构及密封推头的尺寸和初始位置；

步骤二、对内覆管（10）的表面喷涂润滑剂或喷砂处理，调节其表面摩擦系数，接着，将内覆管（10）伸入待加工的管坯（9）内，然后，用气胀成形模具（8）夹紧管坯（9）；

步骤三、将连接有推杆（2）的柔性铜块（11）伸入内覆管（10）内部设定位置；

步骤四、在管坯（9）的两侧套多个约束套环（7），然后，用左侧压头（6）和右侧压头（12）分别夹紧管坯（9）的两端管口，并与管坯（9）固定连接；

左密封推头（4）和右密封推头（13）通过螺栓（5）与左侧压头（6）和右侧压头（12）对应连接，锁紧螺栓（5），左密封推头（4）和右密封推头（13）挤压内覆管（10）两端的管口，实现密封；

两推杆（2）分别穿过左密封推头（4）和右密封推头（13），并套上聚氨酯弹性密封块（16）和密封压块（14），拧紧螺钉（15），使压块（14）挤压聚氨酯弹性密封块（16），实现密封；

步骤五、接通电源（17），按设定电压，柔性铜块（11）使内覆管（10）通电，内覆管（10）升温，并加热管坯（9）至设定温度，接着，通过充气口（3）向内覆管（10）内充入设定压力的气体，使管坯（9）胀形，同时，施加轴向力F，使左密封推头（4）和右密封推头（13）按照匹配路径缓缓推进，对管坯（9）进行补料，最后形成与气胀成形模具（8）的内型腔一致的复杂截面管件；

步骤六、保温保压1-3min后，切断电源（17）并泄压降温，然后松开螺栓（5），退回左密封推头（4）和右密封推头（13），待管件冷却后拆除装夹装置，取出成形后的双层管件，通过酸洗去除内覆管（10），最终获得异种材料复杂截面管件。

6.根据权利要求5所述的异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形方法，其特征在于，

步骤五中，在完成补料后，进退推杆（2）使柔性铜块（11）移至管坯（9）的其他待加工区域，然后，重复步骤五，实现分段加热气胀成形。

7.根据权利要求6所述的异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形方法，其特征在于，步骤五中，充气口（3）充入气体的压力为0-15Mpa；所述气体为压缩空气或氮气。

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