CN110293149B - 一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法，涉及金属复合管冶金结合制造技术领域。本发明中的双金属复合毛管的制作装置，包括机架、行星架、多个轧辊和芯棒，通过轧辊上的螺纹段、辗平段和规圆段，使外复层管表面及双金属界面产生塑性变形后重新规圆。本发明中的双金属复合毛管的制作方法，使双金属界面发生剧烈的塑性变形，增加了界面金属相互之间的结合面积，并促进了界面金属表面的氧化层破裂。在轧制余热的作用下，界面金属原子相互扩散形成牢固的冶金结合的双金属复合毛管，之后再进行热轧或冷轧，制造出不同规格的强化冶金结合的双金属复合成品管。

Description

一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法

技术领域

本发明涉及金属复合管冶金结合制造技术领域，特别是涉及一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法。

背景技术

双金属复合毛管由两种不同金属材料构成，以碳素钢管或合金钢管为基层管，在其内表面或外表面覆衬一定厚度特种合金的管材。管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合，从而使两种材料结合成一体。其一般设计原则是基材满足管道设计许用应力，复层满足各种复杂的工况要求。但是，对于一些特殊工况的使用场景，例如：高温、高压的工况，则必须实现不同性能的两种金属在界面上形成牢固的冶金结合，才能够满足高强度、耐腐蚀、耐高温等单一金属不能达到的诸多性能要求，并可以保证在苛刻的环境下复合管使用的安全性和可靠性。

双金属复合的机理复杂，尽管专家学者已经做了大量研究工作，但目前只是揭示了很少一部分机理，以下是学者研究并提出的一些理论：

1.金属键理论——1954年N.S.Buton从化学角度提出了这条理论。两种金属相互接近，其中的原子相互吸引，从而促进金属复合。

2.薄膜理论——双金属材料的复合性能取决于金属材料的表面状态。把双金属表面氧化膜和油膜等去除，塑性变形一致，当双金属接近一定范围时，这个范围是指原子之间力的作用范围，双金属就可实现结合。

3.能量理论——1958年，A.II.西苗诺夫提出了这条理论。该理论认为真正促进金属之间相互结合的是金属原子本身所具有的能量。

4.再结晶理论——1953年，L.N.帕克斯提出了这条理论。在高温作用下，金属发生变形，同时因为变形产生冷作硬化，金属接触表面的晶格原子重组构成共同晶粒，从而实现金属复合。

5.扩散理论——70年代，卡扎可夫提出了这条理论。双金属在被加热到接近自身融化温度时，相互接触的区域内就会出现一层互相扩散的区域，而恰恰是这一扩散区促使了双金属之间的结合。

现有双金属复合毛管的制做工艺分为塑性复合成形和非塑性复合成形工艺。

一、塑性复合成形工艺

塑性复合成形是利用管材的局部或整体塑性变形来实现内层管与外层管之间紧密结合的复合工艺。

1、开始时内层管与外层管之间存在间隙；

2、内层管变形阶段：当内层管内壁施加加载压力后，内层管管壁产生径向膨胀，直到内层管外表面与外层管内表面刚好接触，间隙消除，此时还未产生接触压力，但内层管已满足屈服条件；

3、复合阶段：随着加载压力的继续增加，开始了对外层管的加载过程。外层管首先出现弹性扩张，直到外层管内表面满足屈服条件后，外层管出现部分塑性扩张，达到最大加载压力；

4、卸载阶段：加载压力从最大逐渐减少至零，这时内管与外管均处于卸载状态。由于第二阶段中内层管产生了塑性变形，当加载压力完全消除后，内外层管之间仍然接触，产生残余接触压力。

在塑性复合过程中，内层管完全发生了塑性变形，外层管则处于弹性变形状态或部分塑性变形状态，卸载后，由于外层管的回弹量大于内层管的回弹量，外层管箍紧内层管，两管之间形成胀紧力，即残余接触压力，达到紧密的机械结合。

残余接触压力的大小取决于材料的回弹能力。如果在高温条件下，则在复合阶段管层间塑性变形量越大，越易在结合界面发生扩散反应，可以达到界面冶金结合。

按塑性复合成形所处的状态不同，可分为冷成形法和热成形法。

(一)、冷成型法

冷成型制造工艺的基本特征是将预加工好的薄壁复层(如不锈钢管)套入基层(如碳钢管)中。然后通过机械方法，使内层管产生克服结合界面处间隙的塑性变形，同时，外层管也产生了一定量的弹性变形，当外力去除后，外层管的弹性变形恢复，使外层管的内壁紧紧贴合在内层管的外壁上。

冷成型法可分为外减径型(如机械拉拔法)和内扩胀型(如旋压成型、液压等)。

1、机械拉拔法是将外管与内管套好后，通过具有带有一定锥度孔的模具或是将挤压模放在内管内，在拉拔过程中，使内管受挤压发生塑性变形，外管侧同时发生弹性形变与部分塑性形变，当拉拔过程结束后，外管受到内部回复力的作用，而对内管起到一个内部压应力，使内外管壁紧密结合。

2、机械拉拔法适合于几乎所有内外管材料，但是结合强度不高，高温下易分层，此外可能使复合管壁厚波动，在管材表面形成节状裂纹，而且由于拉拔过程产生巨大摩擦力，拉拔力的计算也不太容易。

(1)、旋压成型法

目前，旋压成型法是国内生产内层管为不锈钢复合管的主要工艺。比起机械拉拔法，旋压成型法生产的内复层复合管的结合强度等指标要好。工业内复层为不锈钢的复合管主要应用于供水、供热、供气、食品、制药、消防和中央空调领域。用旋压成型法工艺的内复层为耐蚀合金的复合管在石油化工行业也有一些应用。

内衬不锈钢复合管在旋压复合之前内层管与外层管之间存在间隙，当旋压模具对内管内壁施加压力后，内管管径产生径向扩胀，直到内管外表面与外管内表面刚好接触间隙消除。随着旋压模具继续增加对内层管的压力，压力通过内层管传递到外基管，外基管开始出现径向弹性扩张。由于内层管产生了塑性变形，当压力完全撤除后，内外管之间仍然接触产生接触压力，这时外管发生弹性变形，回复原状。内外层结合为5-25μ，处于过盈复合状态，敲击声很清脆。

旋压成型法生产的内层不锈钢复合管特点：

1)界面强度高(与拉拔工艺相比)，有较强的抗挤压，抗共振性，极大的降低了水管受到外力冲击而产生渗漏的可能性，避免了因渗漏对水资源产生大量浪费；

2)与拉拔工艺相比，旋压成型法生产的复合管管壁光滑、均匀，不结垢，通径有保障，输送能耗低；

3)采用传统工艺连接，安全、灵活、可靠；

4)降低热能损耗，不锈钢管的保温性能是铜材料水管的24倍，大量地节约了热水输送中的热能损耗；

5)性价比优：总的造价只有薄壁不锈钢管的50％价格，紫铜管的20％价格。

(2)液压成型法

液压成型原理与旋压成型原理基本相同，只是管内用高压液体施压代替旋压工具回转挤压，见图1。内层管和外层管通过水压一起膨胀。由于外层管通常弹性更强，压力释放后，内层管被置于残余压应力下，内外层管之间产生了安全的机械过盈配合。

比较两种成型方法，旋压成型时，内压力的大小难以确定，易发生欠压或过压，且多次旋压易造成内复层开裂。液压成型时内压力均匀且大小可进行计算。而且，液压成型生产的复合管内管壁表面无擦伤和破坏现象，也不会出现加工硬化现象。因此更具优越性。但两种成型法的共同缺点是内外层只是机械结合，和拉拔成型一样，在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效。

(3)胶粘+液压成型法

就是原来的液压成型工艺的在基础上，将机械衬里的基层外管与耐腐蚀复层内管之间使用特殊粘合剂。使复合管界面的结合更加可靠。

综前所述，冷成型法的主要特点有：

优点：生产工艺比较简单。

缺点：

1)两层金属相互间并无冶金熔合，只是依靠对内、外层的冷加工来获得紧密配合。在受轴向力的情况下内外两层金属难以传递和均衡外力；

2)冷加工复合管如果遭遇高温就有分层倾向，复合管会因应力释放而失效；

3)在需要热传递的应用领域中，由于内外两层金属间存在间隙，热阻必将大幅增加。

由于冷成型法所不可避免的缺点，限制了冷加工管的使用环境和应用领域。

(二)热成型法

热成型制造工艺包括热轧和热挤压两种方法，前者主要适用于有缝复合管的生产，后者适用于无缝复合管的生产。

(1)热轧复合板成型法

轧制是一种传统的制备复合金属的方法。热轧复合实质上属于压力焊，如果变形量足够大，轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜，使表面达到原子接触，从而使两表面焊在一起。优点：生产率高，质量好，成本低，并可大量节省金属材料的损耗，因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。轧制结合的复合板占复合板总产量的90％。经常采用热轧复合板生产壁厚小于32mm直缝焊管。缺点：一次性投资大，而且很多材料组合不能通过轧制复合实现。

(2)热挤压成型法

热挤压一般是针对双金属管坯进行的，称复合挤压，是目前生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的最好方法。

复合挤压的优点是：界面为冶金结合；挤压过程中涉及的力完全是压应力，因此特别适合于热加工性不好，塑性低的高合金金属的加工。

缺点是由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散，常会因氧化物膜的存在而受到影响。因此目前复合挤压限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合。

二、非塑性复合成形

(1)堆焊包覆法

堆焊是较早使用的制作复合金属的方法，它是用熔焊、钎焊、热喷涂、激光熔敷等方法，在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。堆焊包括硬质堆焊和金属喷涂，前者指利用熔化技术使金属表面熔敷上另外一层金属，后者则是将微细的金属颗粒沉积到金属表面。利用堆焊制备复合金属可以采用许多工艺方法，但各种熔焊方法在堆焊工作中占的比例最大，狭义上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。

堆焊制造复合管，其主要缺点是：大面积堆敷时成本太高；可生产的材料组合仅限于熔化焊下具有相容性的材料之间。例如，不能复合两种熔点相差太大的材料，也不能复合焊接时产生脆性金属间化合物的材料。目前，一般小于4”管径的管子，较难实现内熔敷。

优点：界面结合牢固；复层可选用一些难变形金属材料；

(2)爆炸复合法

爆炸复合工艺是依靠炸药爆炸产生的冲击波，使内管发生塑性变形，紧贴外管，从而形成复合管。利用爆炸成型，复层可小于0.2mm。另外，利用爆炸焊可实现多种金属间的连接。有些复层材料采用其他方法不能实现的。优点：一次性瞬间成型，工艺简单，炸药爆炸形成各点压力基本相同。缺点：由于基层内表面和内复层外表面不规则，以及壁厚不均匀，形成的复合管结合较小；界面非扩散冶金结合，对尺寸较长的复合管炸药量很难准确确定，炸药量的控制对内衬管充分塑性变形有一定影响，而且具有一定的危险性。

(3)离心铸造法

离心铸造法适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。复层和基层均采用液态金属。首先，将制外管的钢液引入一旋转金属模，在外管凝固过程中监测管内温度，当外管凝固并达到一定温度时，浇入耐蚀合金等内层金属，通过控制铸造条件，可以生产出牢固的冶金结合的双金属复合毛管。其优点为：界面实现冶金结合，致密度高，排渣、排气性好；缺点是若没有其后的热变形，仅限于铸态使用，其粗大的铸态组织导致各层金属的力学性能不能充分发挥。另外，该方法不能生产外层为轻合金的复合钢管。

(4)离心铸造+热挤压(热挤压+冷轧)法

“离心铸造+热挤压”是一种复合管短流程制备方法，通过离心铸造生产复合管毛管，然后加热、热挤压或热挤压+冷轧，以及后续热处理等工序，获得最终成品复合管。该方法有效整合了离心铸造和热挤压两种方法的优点，缩短了生产工序，实现了复合界面的完全冶金结合。并克服了金属铸态组织的缺陷。其独特之处在于把初级工业材料和高技术的冶金处理过程结合起来，采用离心浇铸工艺、热挤压等塑性热复合技术和冷轧(或冷拔)生产方式，获得高品质的复合管材。

(5)离心铝热法

离心铝热法也称为SHS(self-propagatinghightemperaturesynthesis)离心法。离心铝热法的实质是在离心力场中引起铝热反应，所谓铝热反应就是金属铝粉和其他金属氧化物粉末均匀的混合在一起，通过点燃而发生的非常迅速的放热反应(MO+Al→M+Al2O3+Q)。反应的绝热温度可接近2727℃(3000K)，因此产物都处于液态，在离心力作用下，密度大的产物如Fe、Cr、Ni等集中在靠近碳钢钢管内壁处，形成内复层；Al2O3形成最内层残渣，通过机械方法除去，则制备出双金属复合钢管。

(6)粉末冶金法

在碳钢或类似材料制成的母管与金属薄壁管之间加入粉末充填层，管子两端分别用底板密封，在预定的温度下加热，再热挤压成复合钢管，最后用酸洗方法去掉底板和金属薄壁管。根据不同的用途，复合层可为外层或内层。

(7)电磁成形法

电磁成形工艺属于高能加工范畴，它是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形。当高压直流电流对高压脉冲电容器充电，电压达到隔离开关的临界击穿电压时，隔离间隙被击穿，电容器将储存的全部能量加在线圈上，在几微秒内在线圈上通过很大的电流，瞬间产生强脉冲磁场。放置在线圈外的管材金属就会感应反方向电流，而产生的反向磁通阻止磁通穿过管材金属，迫使磁力线密集在线圈和管材金属的间隙内，密集的磁力线具有扩张的特性，使管材金属表面各部份受到巨大的冲击压力，在几微秒内就可与模具或另外一管材进行撞合，在结合界面处产生塑性流动，形成冶金结合。

电磁成形法效率高、安全，可连接性质迥异的两种金属，但限于其特殊工艺，目前只适合用于加工强度低、导电性能好的材料，如铜、铝等。

冶金结合的双金属复合毛管成型方法的现状

目前，工业上常用的界面达到冶金结合、整体力学性能良好的双金属复合毛管成型方法分大致为以下四种：

1.轧制复合法——将预制的复合管坯加热到再结晶温度以上，利用轧机在对管坯进行轧制，管坯截面内发生塑性变形，在压力载荷下，双金属界面形成紧密贴合(要求有足够的道次压下量)。轧制以后的余热，能够使两种金属间的原子产生扩散，从而使双金属界面形成的冶金结合(要求两种金属界面的接触面积足够大)。

2.爆炸复合法——利用爆炸焊接复合的工艺生产复合管。借助炸药释放的能量把两种金属焊接成一体而形成冶金结合；

3.爆炸+轧制复合法——先通过爆炸复合的方法获得厚度较高的复合管坯，然后再区分不同的要求和条件，经过冷轧或者热轧工序制取满足需要壁厚的复合管材；

4.离心铸造+轧制复合法——先通过离心铸造的方法获得两种金属冶金复合的复合管坯，然后，经过冷轧或者热轧工序制取消除铸造组织缺陷并满足需要壁厚的复合管材。

以上四种复合方法都存在显而易见的缺点。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法，使内外层金属结合牢固，结合面能够承受轴向力，且结合面干净、无氧化层、无空腔。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法，包括机架、行星架、多个轧辊和芯棒，所述行星架可转动的设置于所述机架上；所述多个轧辊可转动的设置于所述行星架上且所述多个轧辊设置于所述芯棒周围，待加工的双金属管套设于所述芯棒上。

可选的，所述轧辊包括依次设置的螺纹段、辗平段和规圆段。

可选的，所述轧辊与所述芯棒之间具有一第一夹角。

可选的，所述螺纹段包括设置于所述轧辊外壁上的锥形螺纹。

可选的，所述锥形螺纹的较大端朝向所述辗平段。

可选的，所述芯棒上设置有向外凸出的导向段，所述导向段与所述螺纹段相平行，且所述导向段位于所述螺纹段正下方。

可选的，所述行星架的转动方向与所述多个轧辊的转动方向相反。

本发明还公开一种使用所述双金属复合毛管的制作装置的制作方法，包括以下步骤：

第一步，将预制的双金属套合管坯加热到再结晶温度以上；

第二步，将加热好的所述预制的双金属套合管坯套在芯棒上；

第三步，启动行星架和多个轧辊进行轧制。

可选的，所述预制的双金属套合管坯包括同轴设置的外层复合管和内层基管，外层复合管的壁厚为内层基管壁厚的26％-28.4％。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的双金属复合毛管的制作装置及制作方法，通过螺纹段使加热好的预制的双金属套合管坯塑性变形，外复层管表面及双金属界面形成螺纹沟槽，并在芯棒上导向段的作用下产生二次塑性变形，之后在轧辊的辗平段对螺纹沟槽进行碾平和减小直径，并由规圆段进行重新规圆。

本发明中的双金属复合毛管的制作方法，使双金属界面发生剧烈的塑性变形，增加了界面金属相互之间的结合面积，并促进了界面金属表面的氧化层破裂。在轧制余热的作用下，界面金属原子相互扩散形成牢固的冶金结合的双金属复合毛管，之后再进行热轧或冷轧，制造出不同规格的强化冶金结合的双金属复合成品管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双金属复合毛管的制作装置及制作方法的结构示意图；

图2为本发明双金属复合毛管的制作装置及制作方法的使用状态结构示意图。

附图标记说明：1、芯棒；2、轧辊；3、轧辊旋转方向；4、行星架旋转方向；5、外层复合管；6、内层基管；7、螺纹段；8、减径段；9、辗平段；10、规圆段。

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做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。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种双金属复合毛管的制作装置及制作方法，包括机架、行星架、多个轧辊2和芯棒1，所述行星架可转动的设置于所述机架上；所述多个轧辊2可转动的设置于所述行星架上且所述多个轧辊2设置于所述芯棒1周围，待加工的双金属管套设于所述芯棒1上。

于本具体实施例中，如图1-2所示，所述轧辊2包括依次设置的螺纹段7、辗平段9和规圆段10。螺纹段7与辗平段9之间还设置有减径段8。所述轧辊2与所述芯棒1之间具有一第一夹角。所述螺纹段7包括设置于所述轧辊2外壁上的锥形螺纹。所述锥形螺纹的较大端朝向所述辗平段9。所述芯棒1上设置有向外凸出的导向段，所述导向段与所述螺纹段7相平行，且所述导向段位于所述螺纹段7正下方。所述行星架的转动方向与所述多个轧辊2的转动方向相反。

通过螺纹段7使加热好的预制的双金属套合管坯塑性变形，外复层管表面及双金属界面形成螺纹沟槽，并在芯棒1上导向段的作用下产生二次塑性变形，之后在轧辊2的辗平段9对螺纹沟槽进行碾平和减小直径，并由规圆段10进行重新规圆。

实施例二：

本实施例公开一种双金属复合毛管的制作方法，包括以下步骤：

第一步，将预制的双金属套合管坯加热到再结晶温度以上；

第二步，将加热好的所述预制的双金属套合管坯套在芯棒1上；

第三步，启动行星架和多个轧辊2进行轧制。

所述预制的双金属套合管坯包括同轴设置的外层复合管5和内层基管6，于本实施例中，外层复合管5的壁厚为内层基管6壁厚的27％。

通过使双金属界面发生剧烈的塑性变形，增加了界面金属相互之间的结合面积，并促进了界面金属表面的氧化层破裂。在轧制余热的作用下，界面金属原子相互扩散形成牢固的冶金结合的双金属复合毛管，之后再进行热轧或冷轧，制造出不同规格的强化冶金结合的双金属复合成品管。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种双金属复合毛管的制作装置，其特征在于，包括机架、行星架、多个轧辊和芯棒，所述行星架可转动的设置于所述机架上；所述多个轧辊可转动的设置于所述行星架上且所述多个轧辊设置于所述芯棒周围，待加工的双金属管套设于所述芯棒上；

所述轧辊包括依次设置的螺纹段、辗平段和规圆段；

所述行星架的转动方向与所述多个轧辊的转动方向相反。

2.根据权利要求1所述的双金属复合毛管的制作装置，其特征在于，所述轧辊与所述芯棒之间具有一第一夹角。

3.根据权利要求1所述的双金属复合毛管的制作装置，其特征在于，所述螺纹段包括设置于所述轧辊外壁上的锥形螺纹。

4.根据权利要求3所述的双金属复合毛管的制作装置，其特征在于，所述锥形螺纹的较大端朝向所述辗平段。

5.根据权利要求3所述的双金属复合毛管的制作装置，其特征在于，所述芯棒上设置有向外凸出的导向段，所述导向段与所述螺纹段相平行，且所述导向段位于所述螺纹段正下方。

6.一种使用权利要求1-5任一项所述的双金属复合毛管的制作装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将预制的双金属套合管坯加热到再结晶温度以上；第二步，将加热好的所述预制的双金属套合管坯套在芯棒上；第三步，启动行星架和多个轧辊进行轧制。

7.根据权利要求6所述的双金属复合毛管的制作装置的制作方法，其特征在于，所述预制的双金属套合管坯包括同轴设置的外层复合管和内层基管，外层复合管的壁厚为内层基管壁厚的26％-28.4％。

Images