CN112872161A - 一种钢铅复合管的电磁成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢铅复合管的电磁成形方法，包括以下步骤：S1、将钢管预热至温度T1；S2、将放电线圈、铅管和钢管从内至外依次同轴放置，且钢管与铅管之间存在一定间隙，放电线圈为电磁成形设备的一部分；S3、将钢管的外部采用夹具固定；S4、将电磁成形设备进行充放电，使铅管扩径变形并与钢管结合。本发明通过电磁成形方法对铅管与钢管进行高速复合，同时对钢管进行加热，加快界面元素扩散，促使钢铅界面产生了高强度冶金结合，保证了钢管与铅管之间的长期服役性能；同时利用钢铅之间的温度差，促使钢铅之前产生热残余应力，保证了钢管与铅管之间过盈配合，产生较高的机械结合力，并利用夹具对钢管进行固定，避免了钢管在热量作用下的变形。

Description

一种钢铅复合管的电磁成形方法
技术领域
本发明涉及电磁成形技术领域，具体涉及一种钢铅复合管的电磁成形方法。
背景技术
防辐射材料是核工业中必不可少的一种构件，包括铅、锆等材料，然而铅的强度比较低，难以承受较高强度的载荷。为解决此问题，人们提出了钢/铅层状复合材料方案，满足了防辐射构件内层防辐射、外层承载力的要求，实现了不同金属的优势结合。钢铅复合材料现已成为一种重要的防辐射材料，被应用于核反应堆以及核废料储存装置等核工业领域。
现有技术中，钢铅复合材料主要通过粘接等间接连接技术制备。粘接方式主要是通过环氧树脂粘接剂进行连接，使钢铅层接近完全贴合，界面剪切强度较高，是目前钢铅复合的主要途径。但在长期使用与贮存过程中，粘接层会出现气孔、老化和局部脱粘导致强度退化问题，严重时给核工业装置带来重大防护风险。
因此，钢铅复合材料亟需开发成形新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢铅复合管的电磁成形方法，通过该方法制备的钢铅复合管结合强度高、可靠性高，以解决采用现有连接技术制备的钢铅复合管在长期使用与贮存过程中导致强度退化问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种钢铅复合管的电磁成形方法，包括以下步骤：
S1、将钢管预热至温度T1；
S2、将放电线圈、铅管和钢管从内至外依次同轴放置，且钢管与铅管之间存在一定间隙，所述放电线圈为电磁成形设备的一部分；
S3、将钢管的外部采用夹具固定；
S4、将电磁成形设备进行充放电，使铅管扩径变形并与钢管结合。
本发明的发明构思在于：
根据钢铅复合管中钢管和铅管的材料特性和结构特点，设计符合钢铅复合的成形条件或参数，最终通过电磁成形技术实现铅管和钢管结合。
具体地：
本发明通过电磁成形方法对铅管与钢管进行高速复合，同时对钢管进行加热，加快界面元素扩散，促使钢铅界面产生了高强度冶金结合，保证了钢管与铅管之间的长期服役性能；同时利用钢铅之间的温度差，促使钢铅界面之间产生热残余应力，保证了钢管与铅管之间过盈配合，产生较高的机械结合力，并利用夹具对钢管进行固定，避免了钢管在热量作用下的变形。
综上，通过冶金结合与机械结合相配，实现钢管与铅管之间高强度结合，通过该方法制备的钢铅复合管结合强度高、可靠性高，解决了采用现有连接技术制备的钢铅复合管在长期使用与贮存过程中导致强度退化问题。
并且，放电线圈、铅管与钢管从内至外依次同轴放置有利于能量的充分利用；放电线圈对同轴放置的铅管可以产生巨大的电磁力，促使其向外变形，撞击至最外部的钢管；钢管与铅管之间的间隙保证了铅管有一定的加速距离，促使二者撞击结合。
进一步地，步骤S1中，还包括将铅管预热至温度T2，T1、T2满足：(T1-T0)ε1<(T2-T0)ε2，其中，T0为室温，ε1为钢管的热膨胀系数，ε2为铅管的热膨胀系数。
铅管和钢管同时加热可以更有利于促进钢铅界面上的元素扩散。
进一步地，步骤S1中，T1为50-300℃。
为了促进电磁成形过程中钢铅双层管之间的原子扩散，钢管温度理论上越高越好，但是考虑到传热会导致铅管温度升高，且铅管的熔点较低，因此温度T1设置高于50℃低于300℃。
进一步地，步骤S2中，钢管与铅管之间的间隙宽度为1-2.5mm。
进一步地，步骤S4中，放电电压为1-9kV。
进一步地，夹具的材质包括不锈钢、电木和环氧树脂。
进一步地，铅管为纯铅或者铅合金。
进一步地，预热的方式包括感应加热、加热炉加热。
进一步地，钢管包括碳钢和合金钢。
钢管具体可以是45钢、20钢、不锈钢。
进一步地，钢管的内壁附着有一层锡或锡合金过渡层。
所述锡或锡合金过渡层的设置能够提高钢管和铅管的结合强度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过电磁成形方法对铅管与钢管进行高速复合，对钢管进行加热，实现冶金结合与机械结合相配，进而实现钢管与铅管之间高强度结合。
2、本发明通过合理控制钢管与铅管之间的间隙宽度以及放电电压，控制铅管的变形速度，在撞击过程中，铅管的材料呈现近似流体状态，从而在界面形成波浪状的界面形貌，在微观上实现相互咬合的机械结合形式，大大提高了界面结合强度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为钢铅复合管电磁成形装置的结构示意图；
图2为实施例1电磁成形的流程示意图；
图3为实施例2电磁成形的流程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101-钢管，102-铅管，103-放电线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
与常见的钢铝、钢镁、铝镁、钢铜、铝铜等层状复合材料不同，钢铅材料之间无论在液态还是固态状态下既不反应也不互溶，容易出现分层现象，因此，钢铅复合层之间难以形成冶金结合，这也是现有技术中采用粘接、焊接等过渡层连接的原因。为解决此问题，本申请提出利用电磁复合工艺实现钢铅的高强结合。
根据相图，钢铅之间不能像钢铝、钢铜等之间形成金属间化合物，因此电磁复合技术迄今并没有被应用到钢铅复合，并且通过实验，本申请发现钢铅材料直接电磁复合成形后，界面冶金反应并不明显。通过实验与理论分析，本申请提出高温度场下电磁成形的方法，通过对钢管进行加热，促进界面上钢铅熔化混合与元素的扩散，实现一定深度的过渡结合层，同时利用温度梯度残余应力提高机械结合强度，实现钢铅的可靠结合。以下结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。
实施例1：
如图1、图2所示，一种钢铅复合管的电磁成形方法，包括以下步骤：
S11、将钢管101预热至温度T1，T1为50-300℃；
S12、将放电线圈103、铅管102和钢管101从内至外依次同轴放置，且钢管101与铅管102之间存在一定间隙，所述放电线圈103为电磁成形设备的一部分；
S13、将钢管101的外部采用夹具固定；
S14、将电磁成形设备进行充放电，使铅管102扩径变形并与钢管101结合。
在本实施例中，钢管101具体可以是45钢、20钢或不锈钢；钢管101预热可以通过感应加热、加热炉等方法实现；铅管102为纯铅或者铅合金；电磁成形设备包括内部电容器，充放电电路和放电线圈103，所述电容器用于储存电能，所述充放电电路用于对电容器充电、对放电线圈103放电；夹具的材质包括不锈钢、电木和环氧树脂。
在本实施例中，放电线圈103、铅管102与钢管101从内至外依次同轴放置有利于能量的充分利用；放电线圈103对同轴放置的铅管102可以产生巨大的电磁力，促使其向外变形，撞击至最外部的钢管101；钢管101与铅管102之间的间隙保证了铅管102有一定的加速距离，促使二者撞击结合；同时钢管101附带的温度场提高了界面的温度，促进了钢铅之间在撞击能量与温度耦合作用下，界面熔化高速混合，形成了不同于钢铝等其他配对金属的半机械半化合的冶金结合形式，形成一定深度的过渡结合层。
在本实施例中，钢管101加热可以促进钢管101与铅管102之间的冶金结合，但同时钢管101的强度明显降低了，钢管101有可能在冲击作用下产生塑性变形，局部向外凸起，因此，本实施例中采用夹具固定在钢管101外部，防止钢管101扩径变形；优选地，夹具采用不锈钢、电木和环氧树脂等材料，其不容易受到放电线圈103的影响而产热，导致能量损失。
实际上，在传统复合管的电磁复合中，实现复合管的高强度结合需要冶金结合与机械结合两方面的配合。机械结合力的产生原理如下：内层金属管与外层金属管之间存在间隙，在强电磁力作用下，内层金属以极快的速度变形并撞击到外层金属上，外层金属管在电磁力与撞击力作用下发生弹性变形，内层金属管塑性变形产生扩径并与外层金属贴合。随后，由于内层金属大变形产生加工硬化以及内外层金属自身弹性模量的差异，内层金属的回弹小于外层金属，管层间发生“干涉配合”从而产生残余接触应力，因此结合强度的大小与内外管弹复量的差值有关。然而实际上铅质地非常软，钢铅材料之间的弹复量差异并不明显，难以产生干涉配合。但是本实施例中，通过对钢管101进行加热至50℃以上，钢管101受热膨胀，在钢铅管复合并冷却后，二者之间过盈配合产生较大的机械结合力，从而解决了钢铅复合管电磁复合结合问题。
综上，在本实施例中，对钢管101进行预热后，通过电磁成形方法对铅管102与钢管101进行高速复合，使得钢铅之间在撞击能量与温度耦合作用下，界面熔化高速混合，形成了不同于钢铝等其他配对金属的半机械半化合的冶金结合形式，形成一定深度的过渡结合层，保证了钢管101与铅管102之间的长期服役性能。通过钢铅之间的温度差异，保证了钢管101与铅管102之间过盈配合，产生较高的机械结合力。同时利用夹具对钢管101进行固定，防止了钢管101在热作用下的不利变形，保证了尺寸精度。因此，本实施例通过冶金结合与机械结合相配合，实现钢管101与铅管102之间的高强度结合，根据剪切试验，复合管的界面结合强度要大于铅管材料本身强度。
实施例2：
如图1、图3所示，一种钢铅复合管的电磁成形方法，包括以下步骤：
S21、将钢管101预热至温度T1，将铅管102预热至温度T2，T1、T2满足：(T1-T0)ε1<(T2-T0)ε2，其中，T0为室温，ε1为钢管101热膨胀系数，ε2为铅管102的热膨胀系数，T1为50-300℃；
S22、将放电线圈103、铅管102和钢管101从内至外依次同轴放置，且钢管101与铅管102之间存在一定间隙，隙宽度为1-2.5mm，放电线圈103为电磁成形设备的一部分；
S23、将钢管101的外部采用夹具固定；
S24、将电磁成形设备进行充放电，放电电压为1-9kV，使铅管102扩径变形并与钢管101结合。
在本实施例中，钢管101与铅管102分别预热至温度T1、T2，同时加热二者可以更有利于促进钢铅界面上的元素扩散。然而为了保证钢铅管102之间的机械结合应力，要求温度T1、T2满足：(T1-T0)ε1<(T2-T0)ε2，其中T0为室温，ε1为钢管101热膨胀系数，ε2为铅管102的热膨胀系数，此时保证冷却至室温下，外层钢管101的收缩量大于内层铅管102的收缩量，产生残余接触应力，保证机械结合。
根据直观经验，电磁成形过程中，铅管102与钢管101之间撞击速度越大，二者结合力越强，然而本发明的本申请发现由于预热过程存在，放电电压过大界面结合强度反而降低。本实施例通过控制钢管101与铅管102之间的间隙宽度为1至2.5mm，放电电压为1-9kV，控制铅管102的变形速度，在撞击过程中，铅管102的材料呈现近似流体状态，从而在界面形成波浪状的界面形貌，在微观上实现相互咬合的机械结合形式，大大提高了界面结合强度。
实施例3：
本实施例基于实施例1或实施例2：
为了提高结合强度，钢管101内表面附有一层过渡层金属，本实施例中采用锡或锡合金过渡层，可以通过镀层或者锡管等方式复合；在电磁力撞击的过程中，低熔点的锡容易发生熔化，并分别与两侧的钢、铅产生冶金反应，锡与钢、铅材料都具有良好的冶金结合力，因此可以极大提高界面结合强度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将钢管(101)预热至温度T1；
S2、将放电线圈(103)、铅管(102)和钢管(101)从内至外依次同轴放置，且钢管(101)与铅管(102)之间存在一定间隙，所述放电线圈(103)为电磁成形设备的一部分；
S3、将钢管(101)的外部采用夹具固定；
S4、将电磁成形设备进行充放电，使铅管(102)扩径变形并与钢管(101)结合。
2.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，步骤S1中，还包括将铅管(102)预热至温度T2，T1、T2满足：(T1-T0)ε1<(T2-T0)ε2，其中，T0为室温，ε1为钢管(101)的热膨胀系数，ε2为铅管(102)的热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，步骤S1中，T1为50-300℃。
4.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，步骤S2中，钢管(101)与铅管(102)之间的间隙宽度为1-2.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，步骤S4中，放电电压为1-9kV。
6.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，所述夹具的材质包括不锈钢、电木和环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，所述铅管(102)为纯铅或者铅合金。
8.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，预热的方式包括感应加热、加热炉加热。
9.根据权利要求1所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，所述钢管(101)包括碳钢和合金钢。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种钢铅复合管的电磁成形方法，其特征在于，所述钢管(101)的内壁附着有一层锡或锡合金过渡层。
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