CN117531864B - 一种双金属无缝复合管高效率制备方法 - Google Patents

一种双金属无缝复合管高效率制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双金属无缝复合管高效率制备方法，属于钢管制造技术领域。双金属无缝复合管高效率制备方法，包括以下步骤：将基层管管坯套在覆层管管坯上，得到复合管管坯，并对复合管管坯进行去应力退火处理；所述基层管管坯和覆层管管坯的材质不同；将去应力退火处理后的复合管管坯加热至热加工窗口温度，保温处理后套在挤压筒的芯杆上，然后沿挤压筒轴线方向进行挤压，得到双金属无缝复合管。本发明的方法避免了离心铸造制备复合管管坯的复杂性，简化了复合管管坯的制备方法，提升了复合管的基层管与覆层管管面的结合力，较大地提高了复合管的长度。

Description

一种双金属无缝复合管高效率制备方法
技术领域
本发明涉及钢管制造技术领域，特别是涉及一种双金属无缝复合管高效率制备方法。
背景技术
金属管道，因其优良的抗腐蚀、耐高温、耐冲击等性能被广泛应用于石油化工、海洋船舶、航天航空、能源运输、建筑装饰等领域。但随现代工业的快速发展，材料服役状态面临的挑战越来越严峻，目前，单一金属管材面临着性能达到瓶颈的窘境，添加昂贵的稀有金属元素虽然可以提升单一金属管的性能，但提升幅度十分有限，且稀有金属元素也无法在工业生产上大量使用。
双金属无缝复合管是通过特殊的加工工艺或熔炼铸造，使基层管和覆层管两层金属管发生机械啮合或冶金结合的新型管材，双金属无缝复合管可同时具备两种金属的优良性能，有较高的比强度、比刚度、抗氧化、耐磨和耐蚀等特点。根据双金属无缝复合管基层管和覆层管不同的服役环境，合理地选择基层管和覆层管的材料可以减少单一金属管生产过程中昂贵金属元素的加入，降低生产成本。
目前双金属无缝复合管的生产工艺主要有爆炸复合、液压膨胀复合、轧制法复合和热挤压法复合等，但受复合工艺和机械设备的制约，复合管结合的均匀性和长度等均受到了一定的限制，无法高效、高质量地生产无缝复合管。爆炸复合由于爆炸产生的冲击波和高温高能可使两管发生冶金结合，但由于爆炸物的使用，需要操作人员有足够的经验储备和较高的技术条件，有一定的危险性；爆炸过程中产生的气体和噪音会对环境造成严重污染；并且爆炸过程中产生的冲击波会使得复合管壁产生波纹形状，影响两管结合的均匀性。液压膨胀是对覆层管施加一定的力使覆层管发生膨胀，待力卸除之后覆层管与基层管发生机械啮合，但由于机械尺寸的限制，所制备合金管长度受限。轧制复合根据轧制温度的不同可分为冷轧制复合、温轧制复合和热轧制复合，但是冷轧制复合仅能够产生机械啮合，从而会导致壁厚不均匀、界面强度不高等缺陷；热轧制复合和温轧制复合由于轧制设备处于开放空间，轧制温度无法保证，轧制过程中先轧出一端可以在高温、高压下产生冶金结合，但由于温度的下降，后轧出部分难以达到冶金结合的条件，从而在轧制方向上会产生结合力的不均匀，大大限制了轧制后管件的长度与结合力。热挤压法是在压力机高温和三向压应力作用下使基层管与覆层管发生冶金结合，较大的压应力还可使铸造过程中产生的缩孔、气孔闭合从而减少铸造缺陷；挤压筒所提供的环形力可以提高复合管的结合力的均匀性；另外挤压机的使用可有效减少机械层面对于复合管长度的限制。
热挤压生产双金属复合管管坯一般有两种方法，一种是直接离心铸造复合管管坯；另外一种是铸造实心锭然后通过液压冲孔或机械加工的方法生产基层管管坯和覆层管管坯，将两管坯进行打磨之后进行装配生产复合管管坯。离心铸造生产的复合管管坯，不仅需要两种材料的熔点相近，而且内层金属液的加入时机需要一定的经验，加入金属液过早或过晚会造成两管坯之间产生冷隔、夹杂、气孔、疏松等缺陷，从而降低复合管界面质量，严重影响复合管结合强度与均匀性。采用普通铸造和机械加工的方法制备复合管管坯，不仅可以降低离心铸造工艺的复杂性，而且可以有效提升同一批复合管管坯性能的一致性。但是一般的基层管管坯与覆层管管坯平行装配的装配方式容易造成覆层管管坯提前被挤出的问题，另外平行装配的方式无法以较大的挤压比生产双金属无缝复合管，从而在一定程度上限制了复合管的长度，降低了生产的效率。因此，如何合理地进行复合管管坯的装配，提升双金属无缝复合管的生产效率成为了亟待突破的关紧技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种双金属无缝复合管高效率制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明的方法避免了离心铸造制备复合管管坯的复杂性，简化了复合管管坯的制备方法，提升了复合管的基层管与覆层管管面的结合力，较大地提高了复合管的长度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种双金属无缝复合管高效率制备方法，包括以下步骤：
（1）根据需要，选择两种不同材质的金属材料（一种作为基层管管坯，另一种作为覆层管管坯），两种不同材质的金属材料需要有相近的热加工窗口温度，保证热加工窗口温度差值在100℃以内，以便可以在同一预热温度下具有近似的热变形抗力。
热变形抗力相近，可以保证两种金属的流动规律同单金属无缝管挤压时的流动规律一致。
本发明管坯的生产过程为先通过普通砂型铸造或金属型铸造生产铸锭，再进行冲孔、车削等机械加工方式生产基层管管坯与覆层管管坯，可制备熔点差距较大但变形抗力较为相近的双金属无缝复合管管坯，如铜铝、镁铝等双金属无缝复合管。
进一步地，所述基层管管坯的材质为6061铝合金或5052铝合金等金属材料；所述覆层管管坯的材质为1060铝合金、AZ31B镁合金或T2紫铜等金属材料。
（2）根据挤压筒内径D1选择合适直径D0（复合管管坯外径）的圆柱坯料进行机械加工处理，选定规则为D0=D1-（0.3~10）mm，对于小型挤压机选择下限0.3mm，对于大型挤压机选择上限10mm，D1和D0单位为mm。
（3）根据芯杆直径对基层管管坯与覆层管管坯进行中间预钻孔和外表面的车削机械加工处理，芯杆直径为D2，复合管管坯内径为d0，d0=D2+（1~3）mm，则预钻孔尺寸为D2-（2~10）mm（预钻孔尺寸小于芯杆直径是为了留足材料，便于后面的进一步机械加工），对于小尺寸芯杆选择下限，对于大尺寸芯杆选择上限，加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，D2和d0单位为mm。
（4）根据所使用挤压机的型号和模具尺寸的不同，分别量取挤压模具凹模出料口直径、凸模芯杆直径、挤压筒内壁直径、所选用坯料高度以及其直径的尺寸，获取所需的三维数据，并对挤压相关构件进行三维建模，三维建模的主要过程包括根据实物所获得数据对二维草图进行绘制，然后将草图进行旋转、拉伸等步骤，从而分别获得对应实物的三维建模，最后再根据实际工况，将建模完成后的各个构件组合在一起，使用组合后的三维模型进行单金属管材的挤压模拟，单金属管挤压模拟所用材料选为流动性能较弱的材料，如6061铝合金和AZ31镁合金复合则选择AZ31镁合金作为模拟材料，根据挤压模拟的结果，分析挤压过程中不同位置金属的流动路径，根据挤压过程中金属的流动规律确定基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状；
建模精度主要由模具尺寸精度决定，从而会决定金属的流动路径，根据模具剖面形状的不同，模具可分为平模、锥模以及流线模等，不同的模具形状对应不同的金属流动路径，根据模拟软件可以确定对应流动路径。
进一步地，所述覆层管管坯的外轮廓由大端至小端过渡处理，大端外径是小端外径的1.5~2.6倍，所述覆层管管坯的内轮廓为圆柱形；所述基层管管坯的外轮廓为圆柱形，内轮廓与所述覆层管管坯的外轮廓相匹配，且基层管管坯的内轮廓和所述覆层管管坯的外轮廓之间有0.05mm的间隙；
进一步地，所述覆层管管坯截面的大端至小端的连线为外凸曲线结构。
（5）根据成形后基层管壁厚b1与覆层管壁的壁厚b2，以及覆层管与基层管材料的弹性模量差E2-E1计算覆层管管坯确定壁厚区管坯的厚度b03，b03=b2+K，K为覆层管管坯补充壁厚，当E2-E1＜-10GPa时，K=0.5~1mm；当-10GPa≤E2-E1≤0GPa时，K=0.2~0.5mm；当E2-E1＞0GPa时，K=0~0.2mm；b1、b2、b03和K单位为mm，E1和E2单位为GPa；
（6）根据（4）中所得在挤压过程中金属的流动曲线从而确定加工过程中从大端到小端基层管管坯与覆层管管坯所对应的界面形状，根据（5）中计算所得小端壁厚尺寸，对镗孔后的空心锭进一步机械加工，基层管管坯非确定壁厚区端厚度（基层管管坯最小壁厚）为b01，覆层管管坯非确定壁厚区端厚度（覆层管管坯最大壁厚）为b02，b02≥b01，覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度b03，确定壁厚区长度l01=0.1L0mm，L0为选定圆柱锭原始高度（复合管管坯的高度），加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，b01、b02、b03、l01和L0单位为mm；
所述机械加工的基层管管坯和覆层管管坯的表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准，即不可辨加工痕迹方向。
（7）打磨和清理：将机械加工后的基层管管坯和覆层管管坯用砂纸或带钢丝头的打磨机打磨掉氧化皮和机械加工过程中存在的杂质；使用吹尘枪吹去打磨清理后管坯表面残留的金属碎屑，并使用对应的清洗液对管坯进行清洗，以去除机械加工以及打磨过程中管坯表面的碎屑，砂纸脱落的砂粒以及机械中流出的润滑液；
（8）将经过打磨和清理的基层管管坯套在覆层管管坯上（组合装配，组坯），得到复合管管坯，并对复合管管坯进行去应力退火处理。
去应力退火处理，可以消除机械加工过程中材料内部储存的残余应力。
（9）将去应力退火处理后的复合管管坯加热至热加工窗口温度，保温处理后套在挤压筒的芯杆上（复合管管坯和芯杆装配），然后放入送料口，由供锭器将其定位至挤压筒轴线方向进行挤压，得到双金属无缝复合管。
进一步地，所述热加工窗口温度为金属熔点的0.75~0.95倍（基层管管坯和覆层管管坯中熔点较低的材料的熔点定义为金属熔点）；
进一步地，复合管管坯外径定义为D0mm，保温时间为1.5~2.5D0min。
进一步地，当D0＜50mm时，保温时间为1.5D0min；当50mm＜D0＜100mm时，保温时间为（1.5+0.01×(D0-50)）×D0min；当D0＞100mm时，保温时间为2.5D0min。
进一步地，所述挤压的温度与所述保温处理的温度相同；所述挤压的挤压比λ为25，挤压速度为0.5~10mm/s。
为确保挤出管材的质量，挤压参数根据所选基层管管坯和覆层管管坯材料的特性进行选择，在铝/铝复合、铝/铜复合时由于两种材料变形性能较好，则可选取如5~10mm/s较高的挤压速度，在镁/铝复合时，由于镁合金变形能力较差，为防止表面出现划痕、破损等情况，则应在0.5~1mm/s的挤压速度下进行挤压，并且挤出后为保证镁合金的性能还需立刻用25℃的清水冷却。
进一步地，所述复合管管坯和芯杆装配时需要在芯杆及模具部分涂抹石墨基润滑脂或使用沥青润滑等，提高复合管管壁质量并降低脱模难度。
进一步地，所述挤压的温度较高时，可以在送料口位置撒上玻璃润滑剂粉末，复合管管坯滚落时，玻璃润滑剂融化，黏附在管坯表面起到润滑和保温的作用。
进一步地，所述复合管管坯和芯杆的装配方向为非确定壁厚区的一端与芯杆的基座接触，确定壁厚区的一端为自由端。
进一步地，所述挤压的出料端为覆层管管坯的外轮廓为小端的一侧。
（复合管挤压方向为非确定壁厚区一端向确定壁厚区的自由端挤压）。
本发明的主体思想就是根据不同材料的流变特性，通过有限元模拟，获得了不同金属材料在挤压过程中类似于正切函数第一象限图像的流动路径，从而确定了基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状，以改变坯料的加工形状来进行组坯，进而达到高效率、高质量的无缝管材成形。并且在确定组坯形状之前，需要对不同的材料进行仿真模拟并进行合理的生产试验，在得到稳定的工艺参数之后，便可以稳定生产。
本发明的技术方案之二：一种上述制备方法制备的双金属无缝复合管。
本发明的技术方案之三：一种上述双金属无缝复合管在航天航空、能源运输、石油化工或核电领域的应用。
本发明公开了以下技术效果：
（1）本发明的方法避免了离心铸造制备复合管管坯的复杂性，简化了复合管管坯的制备方法，提升了复合管的基层管与覆层管管面的结合力，大大提高了复合管的长度。
（2）本发明的管坯装配方式根据挤压过程中芯部金属（覆层管管坯）和边缘金属（基层管管坯）的流动方向和流动速度进行设计，可以有效改善传统基层管管坯、覆层管管坯平行配合导致的覆层管管坯提前移动的问题，并且在基层管管坯和覆层管管坯的接触界面可以提供额外的压紧力。
（3）本发明主要通过热挤压工艺生产复合管，在高压和高温作用下可使基层管与覆层管发生冶金结合，从而使基层管与覆层管金属达到原子层面的结合，有良好的界面结合能力，可进行后续的机械加工、焊接等，并且在极端温度下较机械啮合（机械啮合的结合力一般是30MPa以下，本发明的结合力达到90MPa以上）更不容易发生基层管与覆层管剥离的失效形式。
（4）本发明在热挤压过程中可达到较大的挤压比，从而可以在使用较少的管坯材料的情况下生产较长的双金属复合管材，相较于平行装配的复合管挤压方式，更大的挤压比可以提高管坯向管材的转化率，可提高单位时间管材的生产效率。
（5）本发明独特的组坯方式可以提供额外的压紧力，使挤出的复合管界面有更强的结合强度，此外根据不同金属在挤压过程中的流动方式进行组坯，可以使结合界面处金属流动更为均匀。并且较大的挤压比也可以挤出更长的双金属无缝复合管。本发明的方法制备过程简单方便，工艺难度低，生产效率高。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双金属无缝复合管的制备流程示意图；
图2为单金属管材（6061铝合金）的挤压金属流动示意图；
图3为复合管管坯的尺寸标识图，其中，1为双金属复合管基层管管坯，2为双金属复合管覆层管管坯；
图4为双金属无缝复合管的热挤压示意图，其中，3为挤压筒，4为芯杆及挤压垫的装配体，5为挤压模具，6为热挤压后的双金属复合管基层管件，7为热挤压后的双金属复合管覆层管件；
图5为热挤压后的双金属无缝复合管的尺寸标识图，其中，6为双金属复合管基层管件，7为双金属复合管覆层管件；
图6为本发明实施例1中采用的6061铝合金基层管管坯的实物图；
图7为本发明实施例1中采用的1060铝合金覆层管管坯的实物图；
图8为本发明实施例1中的双金属无缝复合管管坯的实物图；
图9为本发明实施例1制备的双金属无缝复合管的实物图；
图10为本发明实施例1制备的双金属无缝复合管的横截面结合界面图；
图11为本发明实施例1制备的双金属无缝复合管的纵截面结合界面图；
图12为本发明实施例1制备的双金属无缝复合管的纵截面拉剪测试曲线。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明第一方面，提供一种双金属无缝复合管高效率制备方法，包括以下步骤：
（1）根据需要，选择两种不同材质的金属材料，两种不同材质的金属材料需要有相近的热加工窗口温度，保证热加工窗口温度差值在100℃以内，以便可以在同一温度具有近似的热变形抗力。
热变形抗力相近，可以保证两种金属的流动规律同单金属无缝管挤压时流动规律一致。
本发明的基层管管坯的材质为6061铝合金或5052铝合金等金属材料；覆层管管坯的材质为1060铝合金、AZ31B镁合金或T2紫铜等金属材料。
（2）根据挤压筒内径D1选择合适直径D0的圆柱坯料进行机械加工处理，选定规则为D0=D1-（0.3~10）mm，对于小型挤压机选择下限0.3mm，对于大型挤压机选择上限10mm，D1和D0单位为mm。
（3）根据芯杆直径对基层管管坯与覆层管管坯进行中间预钻孔和外表面的车削机械加工处理，芯杆直径为D2，复合管管坯内径为d0，d0=D2+（1~3）mm，则预钻孔尺寸为D2-（2~10）mm，对于小尺寸芯杆选择下限，对于大尺寸芯杆选择上限，加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，D2和d0单位为mm。
（4）根据所使用挤压机的型号和模具尺寸的不同，分别量取挤压模具凹模出料口直径、凸模芯杆直径、挤压筒内壁直径、所选用坯料高度以及其直径的尺寸，获取所需的三维数据，并对挤压相关构件进行三维建模，三维建模的主要过程包括根据实物所获得数据对二维草图进行绘制，然后将草图进行旋转、拉伸等步骤，从而分别获得对应实物的三维建模，最后再根据实际工况，将建模完成后的各个构件组合在一起，使用组合后的三维模型进行单金属管材的挤压模拟，单金属管挤压模拟所用材料选为流动性能较弱的材料，如6061铝合金和AZ31镁合金复合则选择AZ31镁合金作为模拟材料，根据挤压模拟的结果，分析挤压过程中不同位置金属的流动路径，根据挤压过程中金属的流动规律确定基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状；
建模精度主要由模具尺寸精度决定，从而会决定金属的流动路径，根据模具剖面形状的不同，模具可分为平模、锥模以及流线模等，不同的模具形状对应不同的金属流动路径，根据模拟软件可以确定对应流动路径。
本发明的覆层管管坯的外轮廓由大端至小端过渡处理，大端外径是小端外径的1.5~2.6倍，所述覆层管管坯的内轮廓为圆柱形；所述基层管管坯的外轮廓为圆柱形，内轮廓与所述覆层管管坯的外轮廓相匹配，且基层管管坯的内轮廓和所述覆层管管坯的外轮廓之间有0.05mm的间隙；
（5）根据成形后基层管壁厚b1与覆层管壁的壁厚b2，以及覆层管与基层管材料的弹性模量差E2-E1计算覆层管管坯确定壁厚区管坯的厚度b03，b03=b2+K，K为覆层管管坯补充壁厚，当E2-E1＜-10GPa时，K=0.5~1mm；当-10GPa≤E2-E1≤0GPa时，K=0.2~0.5mm；当E2-E1＞0GPa时，K=0~0.2mm；b1、b2、b03和K单位为mm，E1和E2单位为GPa；
（6）根据（4）中所得在挤压过程中金属的流动曲线从而确定加工过程中从大端到小端基层管管坯与覆层管管坯所对应的界面形状，根据（5）中计算所得小端壁厚尺寸，对镗孔后的空心锭进一步机械加工，基层管管坯非确定壁厚区端厚度（基层管管坯最小壁厚）为b01，覆层管管坯非确定壁厚区端厚度（覆层管管坯最大壁厚）为b02，b02≥b01，覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度b03，确定壁厚区长度l01=0.1L0mm，L0为选定圆柱锭原始高度（复合管管坯的高度），加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，b01、b02、b03、l01和L0单位为mm。
本发明的覆层管管坯截面的大端至小端的连线为外凸曲线结构。
机械加工的基层管管坯和覆层管管坯的表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准，即不可辨加工痕迹方向。
（7）打磨和清理：将机械加工后的基层管管坯和覆层管管坯用砂纸或带钢丝头的打磨机打磨掉氧化皮和机械加工过程中存在的杂质；使用吹尘枪吹去打磨清理后管坯表面残留的金属碎屑，并使用对应的清洗液对管坯进行清洗，以去除机械加工以及打磨过程中管坯表面的碎屑，砂纸脱落的砂粒以及机械中流出的润滑液；
（8）将经过打磨和清理的基层管管坯套在覆层管管坯上（组合装配），得到复合管管坯，并对复合管管坯进行去应力退火处理。
本发明的去应力退火处理的温度为280~350℃，时间为2h。
去应力退火处理，可以消除机械加工过程中材料内部储存的残余应力。
（9）将去应力退火处理后的复合管管坯加热至热加工窗口温度，保温处理后套在挤压筒的芯杆上（复合管管坯和芯杆装配），然后放入送料口，由供锭器将其定位至挤压筒轴线方向进行挤压，得到双金属无缝复合管。
本发明的热加工窗口温度为金属熔点的0.75~0.95倍（基层管管坯和覆层管管坯中熔点较低的材料的熔点定义为金属熔点）；
当本发明的复合管管坯外径定义为D0mm，保温时间为1.5~2.5D0min。
本发明中，当D0＜50mm时，保温时间为1.5D0min；当50mm＜D0＜100mm时，保温时间为（1.5+0.01×(D0-50)）×D0min；当D0＞100mm时，保温时间为2.5D0min。
复合管管坯外径增加，保温时间不增加，会导致复合管管坯的加热温度不均匀，挤压过程中降温过快，不利于挤压，同时挤压获得的管材表面有划痕，还会造成模具损耗。因此，需要根据复合管管坯外径的变化设定保温时间，从而保证加热的均匀性。
本发明的挤压的温度与保温处理的温度相同；挤压的挤压比λ为25，挤压速度为0.5~10mm/s。
挤压参数根据所选基层管管坯和覆层管管坯材料的变形抗力不同进行选择。
为确保挤出管材的质量，挤压参数根据所选基层管管坯和覆层管管坯材料的特性进行选择，在铝/铝复合、铝/铜复合时由于两种材料变形性能较好，则可选取如5~10mm/s较高的挤压速度，在镁/铝复合时，由于镁合金变形能力较差，为防止表面出现划痕、破损等情况，则应在0.5~1mm/s的挤压速度下进行挤压，并且挤出后为保证镁合金的性能还需立刻用25℃的清水冷却。
本发明的复合管管坯和芯杆装配时需要在芯杆及模具部分涂抹石墨基润滑脂或使用沥青润滑等，提高复合管质量并降低脱模难度。
当本发明的挤压的温度较高时，可以在送料口位置撒上玻璃润滑剂粉末，复合管管坯滚落时，玻璃润滑剂融化，黏附在管坯表面起到润滑和保温的作用。
本发明的复合管管坯和芯杆的装配方向为非确定壁厚区的一端与芯杆的基座接触，确定壁厚区的一端为自由端。
本发明挤压的出料端为覆层管管坯的外轮廓为小端的一侧（复合管挤压方向为非确定壁厚区一端向确定壁厚区的自由端挤压）。
本发明另一方面，提供一种双金属无缝复合管。
本发明另一方面，提供一种双金属无缝复合管在航天航空、能源运输、石油化工或核电领域的应用。
本发明的双金属无缝复合管的制备流程示意图见图1；单金属管材（6061铝合金）的挤压金属流动示意图见图2；复合管管坯的尺寸标识图见图3；双金属无缝复合管的热挤压示意图见图4；热挤压后的双金属无缝复合管的尺寸标识图见图5。
图3中b01为双金属复合管基层管管坯最小壁厚，b02为双金属复合管覆层管管坯最大壁厚；b03为覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度，l01为双金属复合管覆层管确定壁厚区域长度，L0为双金属复合管管坯长度，D0为双金属复合管管坯外径，d0为双金属复合管管坯内径，1为双金属复合管基层管管坯，2为双金属复合管覆层管管坯。
图4中3为挤压筒，4为芯杆及挤压垫的装配体，5为挤压模具，6为热挤压后的双金属复合管基层管件，7为热挤压后的双金属复合管覆层管件，D1为挤压筒内径，D2为芯杆直径；
图5中6为双金属复合管基层管件，7为双金属复合管覆层管件，L为双金属复合管管件长度，D为双金属复合管管件外径，d为双金属复合管管件内径，b1为双金属复合管基层管件壁厚，b2为双金属复合管覆层管件壁厚。
实施例1
6061铝合金/1060铝合金双金属无缝金属复合管的高效率制备方法：
（1）选定基层管管坯为6061铝合金，覆层管管坯为1060铝合金；选取挤压筒内径D1=95mm的挤压机作为挤压设备，确定挤压出复合管基层管管壁厚度b1=1.4mm，覆层管管壁厚度b2=1.1mm，6061铝合金（基层管管坯）弹性模量E1=68.9GPa，1060铝合金（覆层管管坯）弹性模量E2=71.7GPa，E2-E1＞0GPa，选择补充壁厚K=0.2mm，b03=b2+K=1.3mm。
（2）根据挤压筒内径D1，选取直径D0均为92mm，原始高度L0均为100mm的6061铝合金和1060铝合金圆柱形坯料。
（3）根据芯杆直径D2=29.5mm，对1060铝合金和6061铝合金圆柱锭中心进行预钻孔加工，预钻孔直径为28mm，加工误差±0.21mm，孔径偏差±0.01mm，并对6061铝合金圆柱锭外表面进行车削处理，车削深度1±0.21mm，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准。
（4）量取挤压模具、挤压筒以及挤压垫等挤压相关构件的三维尺寸，对挤压机相关构件进行三维建模；首先量取挤压筒内径为95mm，高500mm，然后根据所使用模具、芯杆及挤压垫加工工程图将模具、芯杆及挤压垫进行建模，最后根据所使用挤压坯料的几何尺寸再将坯料进行建模，将三维模型进行组合，使用组合后的三维模型进行单金属无缝管材的挤压，设定挤压坯料为可变形体，其余部件均设定为刚体，根据挤压的模拟结果，分析挤压过程金属流动情况，特别是芯部金属和边缘部分金属的流动速度和流动方向，确定基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状为从覆层管的小端向大端近似于正弦曲线第一象限部分。
（5）根据步骤（4），对基层管管坯和覆层管管坯进行进一步的机械加工（加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准），其中覆层管管坯一端需要留足长l01（确定壁厚区长度）=0.1L0（圆柱锭原始高度）=10mm，覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度b03=1.3mm，剩余未加工区域根据模拟结果确定的形状对覆层管管坯的外表面进行加工，加工外形为从覆层管管坯小端向大端为凸面形状，为降低化加工难度，最终加工外形选择为从覆层管管坯小端向大端直线连接；基层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管基层管管坯最小壁厚）为b01=2mm，覆层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管覆层管管坯最大壁厚）为b02=27mm，根据芯杆直径D2对覆层管管坯内部进行精车，得到覆层管内径尺寸d0为32mm，对基层管管坯内孔进行进一步加工，加工尺寸与覆层管外表面一致（基层管管坯和覆层管管坯的间隙为0.05mm），加工后基层管外径D0=90mm，加工误差±0.21mm。
（6）打磨：使用带钢丝刷的打磨机对基层管管坯的内表面和覆层管管坯的外表面进行进一步打磨，以清理掉表面残留的氧化膜和机械加工过程中造成的划痕和微小沟壑，表面清理厚度为0.2mm。
（7）清理：使用吹尘枪清理打磨后管坯表面的金属碎屑，并将管坯放入碱液中清洗，以去除机械加工过程中附着在管坯表面的油污。
（8）将经过机械加工以及打磨清洗的基层管管坯和覆层管管坯进行组合装配，形成双金属无缝复合管管坯。
6061铝合金基管管坯的实物图见图6；1060铝合金覆管管坯的实物图见图7；双金属无缝复合管管坯的实物图见图8。
（9）将步骤（8）获得的双金属无缝复合管管坯放入加热炉内进行去应力退火处理，去应力退火处理的温度为350℃、时间为2h，去应力退火后冷却（冷却方式为炉冷），以消除复合管管坯在机械加工和打磨过程中储存的内应力。
（10）将去应力退火后的复合管管坯进行加热保温，加热温度为450℃（约为6061铝合金熔点（585℃）的0.77倍），保温时间T1=177min（T1=(1.5+0.01×(D0-50))×D0）。
（11）将保温后的复合管管坯与芯杆进行组装，为方便芯杆脱模，在芯杆上涂抹石墨基润滑脂，复合管管坯的非确定壁厚区域与芯杆端部接触，将组合好的复合管管坯与芯杆放入挤压机进行挤压，挤压时模具温度为450℃，最大挤压压力为20MPa，挤压速度2mm/s，模具圆孔尺寸为34.5mm，挤压比λ=(47.52-162)÷(17.252-14.752)=25.0，挤压之后空冷至室温，最终可得外径D=34.5mm，内径d=29.5mm，基层管件壁厚b1=1.4mm，覆层管件壁厚b2=1.1mm，长度L约为170cm（挤出后双金属无缝复合管的长度L由原始坯料长度确定）；从坯料到成品管材在长度上的转化率约为17倍。
本实施例制备的双金属无缝复合管的实物图见图9；双金属无缝复合管的横截面结合界面图见图10；双金属无缝复合管的纵截面结合界面图见图11；双金属无缝复合管的纵截面拉剪测试曲线见图12。
本实施例的方法极大程度的增加了复合管的生产效率，图10中内圆环为覆管1060铝合金，外圆环为基管6061铝合金，两种铝合金在管材横截面方向结合界面分布均匀，未出现明显的凸起或破损；从图11中可以看出下侧金属为1060铝合金，上侧金属为6061铝合金，两金属结合界面分布均匀，基层管6061铝合金壁厚约1.4mm，覆层管1060铝合金壁厚约1.1mm；从图12中可以看出挤出的6061铝合金/1060铝合金界面处结合强度可达90MPa以上，结合效果良好。
实施例2
5052铝合金/AZ31B镁合金双金属无缝金属复合管的高效率制备方法：
（1）选定基层管管坯为5052铝合金，覆层管管坯为AZ31B镁合金；选取挤压筒内径D1=95mm的挤压机作为挤压设备，确定挤压出复合管基层管管壁厚度b1=1.5mm，覆层管管壁厚度b2=1mm，5052铝合金（基层管管坯）弹性模量E1=69.3GPa，AZ31B镁合金（覆层管管坯）弹性模量E2=45GPa，E2-E1＜-10GPa，选择补充壁厚K=0.5mm，b03=b2+K=1.5mm。
（2）根据挤压筒内径D1，选取直径D0均为92mm，原始高度L0均为150mm的5052铝合金和AZ31B镁合金圆柱形坯料。
（3）根据芯杆直径D2=29.5mm，对5052铝合金和AZ31B镁合金圆柱锭中心进行预钻孔加工，钻孔直径为28mm，加工误差±0.21mm，孔径偏差±0.01mm，并对5052铝合金圆柱锭外表面进行车削处理，车削深度1±0.21mm，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准。
（4）量取挤压模具、挤压筒以及挤压垫等挤压相关构件的三维尺寸，对挤压机相关构件进行三维建模，将三维模型进行组合，使用组合后的三维模型进行单金属无缝管材的挤压，根据挤压的模拟结果，分析挤压过程金属流动情况，特别是芯部金属和边缘部分金属的流动速度和流动方向，确定基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状。
（5）根据步骤（4），对基层管管坯和覆层管管坯进行进一步的机械加工（加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准），其中覆层管管坯一端需要留足长l01（确定壁厚区长度）=0.1L0（圆柱锭原始高度）=15mm，覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度b03=1.5mm，剩余未加工区域根据模拟结果确定的形状对覆层管管坯的外表面进行加工，基层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管基层管管坯最小壁厚）为b01=2mm，覆层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管覆层管管坯最大壁厚）为b02=27mm，根据芯杆直径D2对覆层管管坯内部进行精车，得到覆层管内径尺寸d0为32mm，对基层管管坯内孔进行进一步加工，加工尺寸与覆层管外表面一致（基层管管坯和覆层管管坯的间隙为0.05mm），加工后基层管外径D0=90mm，加工误差±0.21mm。
（6）打磨：使用带钢丝刷的打磨机对基层管管坯的内表面和覆层管管坯的外表面进行进一步打磨，以清理掉表面残留的氧化膜和机械加工过程中造成的划痕和微小沟壑，表面清理厚度为0.3mm。
（7）清理：使用吹尘枪清理打磨后管坯表面的金属碎屑，并将管坯放入碱液中清洗，以去除机械加工过程中附着在管坯表面的油污。
（8）将经过机械加工以及打磨清洗的基层管管坯和覆层管管坯进行组合装配，形成双金属无缝复合管管坯。
（9）将步骤（8）获得的双金属无缝复合管管坯放入加热炉内进行去应力退火处理，去应力退火处理的温度为280℃、时间为2h，去应力退火后冷却（冷却方式为炉冷），以消除复合管管坯在机械加工和打磨过程中储存的内应力。
（10）将去应力退火后的复合管管坯进行加热保温，加热温度为420℃（约为5052铝合金熔点（554℃）的0.76倍），保温时间T1=177min（T1=(1.5+0.01×(D0-50))×D0）。
（11）将保温后的复合管管坯与芯杆进行组装，为方便芯杆脱模，在芯杆上涂抹石墨基润滑脂，复合管管坯的非确定壁厚区域与芯杆端部接触，将组合好的复合管管坯与芯杆放入挤压机进行挤压，挤压时模具温度为400℃，最大挤压压力为20MPa，挤压速度1mm/s，模具圆孔尺寸为34.5mm，挤压比λ=(47.52-162)÷(17.252-14.752)=25.0，挤压之后为防止AZ31B镁合金变形性能较差，在冷却过程中发生基层管壁开裂的情况，迅速将挤出的5052铝合金/AZ31B镁合金复合管放入水槽中进行冷却，最终可得外径D=34.5mm，内径d=29.5mm，基层管件壁厚b1=1.5mm，覆层管件壁厚b2=1mm的复合管管件，长度L约为170cm（挤出后双金属无缝复合管的长度L由原始坯料长度确定）的双金属无缝复合管。
实施例3
6061铝合金/T2紫铜双金属无缝金属复合管的高效率制备方法：
（1）选定基层管管坯为6061铝合金，覆层管管坯为T2紫铜；选取挤压筒内径D1=95mm的挤压机作为挤压设备，确定挤压出复合管基层管管壁厚度b1=2mm，覆层管管壁厚度b2=0.5mm，6061铝合金（基层管管坯）弹性模量E1=68.9GPa，T2紫铜（覆层管管坯）弹性模量E2=100GPa，E2-E1＞0GPa，选择补充壁厚K=0.2mm，b03=b2+K=0.7mm。
（2）根据挤压筒内径D1，选取直径D0均为92mm，原始高度L0均为100mm的6061铝合金和T2紫铜圆柱形坯料。
（3）根据芯杆直径D2=29.5mm，对6061铝合金和AZ31B镁合金圆柱锭中心进行预钻孔加工，钻孔直径为28mm，加工误差±0.21mm，孔径偏差±0.01mm，并对AZ31B镁合金圆柱锭外表面进行车削处理，车削深度1±0.21mm，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准。
（4）量取挤压模具、挤压筒以及挤压垫等挤压相关构件的三维尺寸，对挤压机相关构件进行三维建模，将三维模型进行组合，使用组合后的三维模型进行单金属无缝管材的挤压，根据挤压的模拟结果，分析挤压过程金属流动情况，特别是芯部金属和边缘部分金属的流动速度和流动方向，确定基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状。
（5）根据步骤（4），对基层管管坯和覆层管管坯进行进一步的机械加工（加工公差满足GB/T 1800.1-2020 IT12等级，表面光洁度满足国标GB/T 1031-2009的Ra0.2标准），其中覆层管管坯一端需要留足长l01（确定壁厚区长度）=0.1L0（圆柱锭原始高度）=10mm，覆层管管坯确定壁厚区管坯厚度b03=0.7mm，剩余未加工区域根据模拟结果确定的形状对覆层管管坯的外表面进行加工，基层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管基层管管坯最小壁厚）为b01=10mm，覆层管管坯非确定壁厚区端厚度（双金属复合管覆层管管坯最大壁厚）为b02=19mm，根据芯杆直径D2对覆层管管坯内部进行精车，得到覆层管内径尺寸d0为32mm，对基层管管坯内孔进行进一步加工，加工尺寸与覆层管外表面一致（基层管管坯和覆层管管坯的间隙为0.05mm），加工后基层管外径D0=90mm，加工误差±0.21mm。
（6）打磨：使用带钢丝刷的打磨机对基层管管坯的内表面和覆层管管坯的外表面进行进一步打磨，以清理掉表面残留的氧化膜和机械加工过程中造成的划痕和微小沟壑，表面清理厚度为0.2mm。
（7）清理：使用吹尘枪清理打磨后管坯表面的金属碎屑，并将管坯放入碱液中清洗，以去除机械加工过程中附着在管坯表面的油污。
（8）将经过机械加工以及打磨清洗的基层管管坯和覆层管管坯进行组合装配，形成双金属无缝复合管管坯。
（9）将步骤（8）获得的双金属无缝复合管管坯放入加热炉内进行去应力退火处理，去应力退火处理的温度为350℃、时间为2h，去应力退火后冷却（冷却方式为炉冷），以消除复合管管坯在机械加工和打磨过程中储存的内应力。
（10）将去应力退火后的复合管管坯进行加热保温，加热温度为450℃（约为6061铝合金熔点（585℃）的0.77倍），保温时间T1=177min（T1=(1.5+0.01×(D0-50))×D0）。
（11）将保温后的复合管管坯与芯杆进行组装，为方便芯杆脱模，在芯杆上涂抹石墨基润滑脂，复合管管坯的非确定壁厚区域与芯杆端部接触，将组合好的复合管管坯与芯杆放入挤压机进行挤压，挤压时模具温度为450℃，最大挤压压力为20MPa，挤压速度5mm/s，模具圆孔尺寸为34.5mm，挤压比λ=(47.52-162)÷(17.252-14.752)=25.0，挤压之后空冷至室温，最终可得外径D=34.5mm，内径d=29.5mm，基层管件壁厚b1=2mm，覆层管件壁厚b2=0.5m，长度L约为170cm（挤出后双金属无缝复合管的长度L由原始坯料长度确定）的双金属无缝复合管。
表1挤压后不同复合管的力学性能
对比例1
同实施例1，区别仅在于改变了基层管管坯与覆层管管坯的挤压比。
本发明相较于已公开的相关专利来说，在挤压过程中有着较大的挤压比，减小挤压比至5左右虽然也可以制造出外表光洁且力学性能较好的复合管，但是会极大地限制挤出复合管的长度以及壁厚，本发明中所使用坯料长度仅为10cm，挤出所得复合管管材有170cm，在长度上成品转化率为17倍。
反观本对比例以较小挤压比（5左右）挤出的复合管，挤压的作用与环轧类似，主要就是让复合管坯料通过挤压模具，然后挤压模具对坯料施加径向力使两种材料结合，所生产的复合管长度与原始坯料长度接近，无法体现挤压工艺连续、高效的优点。
对比例2
同实施例1，区别仅在于改变了基层管管坯与覆层管管坯的装配方式，从带有一定形状的装配方式改变为基层管管坯与覆层管管坯装配界面为一条直线的形式，覆层管管坯外径变为35mm，基层管管坯内径也设计为35mm，在加工时两层管坯之间留有0.1mm的装配间隙。
在相同的挤压参数下进行挤压，由于覆层管管坯过薄，挤出管材两种材料结合面附近有较为明显的破损，不利于力学性能的研究和连续的生产。
对比例3
同实施例2，区别仅在于，改变挤压的参数条件。
在挤出5052/AZ31B复合管时，若提升挤压速度至5mm/s，以增加单位时间产量，则会导致挤出管材内壁出现较为明显的表面开裂，一方面不利于复合管进一步的加工，另一方面对于之后的售卖和使用也会产生相应的影响。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双金属无缝复合管高效率制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选择材料：基层管管坯和覆层管管坯的材质不同，基层管管坯的材质为6061铝合金或5052铝合金；覆层管管坯的材质为1060铝合金或AZ31B镁合金或T2紫铜；
（2）将基层管管坯套在覆层管管坯上，得到复合管管坯；
复合管管坯外径D0根据挤压筒内径D1选择，选定规则为D0=D1-（0.3~10）mm，D1和D0单位为mm；
复合管管坯内径d0根据芯杆直径D2选择，选定规则为d0=D2+（1~3）mm；
（3）基层管管坯与覆层管管坯装配界面的形状：覆层管管坯的外轮廓由大端至小端过渡处理，大端外径是小端外径的1.5~2.6倍，所述覆层管管坯的内轮廓为圆柱形；
基层管管坯的外轮廓为圆柱形，基层管管坯的内轮廓与所述覆层管管坯的外轮廓相匹配，且基层管管坯的内轮廓和所述覆层管管坯的外轮廓之间有0.05mm的间隙；
（4）覆层管管坯小端壁厚b03根据成形后的基层管管壁的壁厚b1、覆层管管壁的壁厚b2，以及覆层管材料的弹性模量E2与基层管材料的弹性模量E1的差计算，b03=b2+K，K为覆层管管坯补充壁厚，当E2-E1＜-10GPa时，K=0.5~1mm；当-10GPa≤E2-E1≤0GPa时，K=0.2~0.5mm；当E2-E1＞0GPa时，K=0~0.2mm；E1和E2单位为GPa；
（5）对复合管管坯进行去应力退火处理；所述去应力退火处理的温度为280~350℃，时间为2h；
（6）将去应力退火处理后的复合管管坯加热至热加工窗口温度，保温处理后套在挤压筒的芯杆上，然后放入送料口，进行挤压，得到双金属无缝复合管；
所述热加工窗口温度为金属熔点的0.75~0.95倍；
复合管管坯外径定义为D0mm，当D0＜50mm时，所处保温处理的保温时间为1.5D0min；当50mm＜D0＜100mm时，所处保温处理的保温时间为（1.5+0.01×(D0-50)）×D0min；当D0＞100mm时，所处保温处理的保温时间为2.5D0min；
所述挤压的温度与所述保温处理的温度相同；所述挤压的挤压比为25，挤压速度为1~5mm/s；
D1、D2、D0、d0、b1、b2、b03和K的单位均为mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述挤压的出料端为覆层管管坯的外轮廓为小端的一侧。
3.一种权利要求1~2任一项所述的制备方法制备的双金属无缝复合管。
4.一种权利要求3所述的双金属无缝复合管在航天航空、能源运输、石油化工或核电领域的应用。
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