雙金屬?gòu)?fù)合管塑性復(fù)合成形技術(shù)研究進(jìn)展

雙金屬?gòu)?fù)合管塑性復(fù)合成形技術(shù)研究進(jìn)展

雙金屬?gòu)?fù)合管，也稱(chēng)為雙管或包管，由兩種不同的金屬管道組成。管層之間通過(guò)各種變形和連接技術(shù)形成緊密結(jié)合,受外力作用時(shí),內(nèi)外管材同時(shí)變形且界面不分離。復(fù)合管的一般設(shè)計(jì)原則是基材滿(mǎn)足管道的設(shè)計(jì)應(yīng)力,覆材滿(mǎn)足耐腐蝕或耐磨損等性能。因此與單一金屬管相比,復(fù)合管充分利用基管和覆管的最佳性能,不僅具有所要求的高強(qiáng)度,而且還具有優(yōu)良的防腐蝕、耐磨損等性能,因而雙金屬?gòu)?fù)合管具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。塑性復(fù)合成形技術(shù)是利用管材的局部或整體塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)管與外管之間緊密結(jié)合的復(fù)合工藝。目前,國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合工藝大部分都采用該技術(shù)。按塑性復(fù)合成形所處的狀態(tài)不同,可分為冷成形法和熱成形法。冷成形法有機(jī)械拉拔法、機(jī)械滾壓法、機(jī)械旋壓法和液壓脹形法等;熱成形法有爆炸成形法、熱擠壓法等。本文對(duì)塑性成形過(guò)程與機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)上述各種塑性熱成形和冷成形技術(shù)進(jìn)行了分析和比較,對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1加載壓力對(duì)殘余接觸壓力的影響塑性復(fù)合成形技術(shù)利用材料的彈塑性特性,使內(nèi)外管接觸并產(chǎn)生緊密的結(jié)合。塑性復(fù)合成形技術(shù)種類(lèi)很多,但其復(fù)合過(guò)程與機(jī)理基本上是一致的,以?xún)?nèi)覆管為例,其塑性復(fù)合過(guò)程可以分為以下三個(gè)連續(xù)過(guò)程:(1)內(nèi)管變形階段開(kāi)始時(shí)內(nèi)層管與外層管之間存在間隙,當(dāng)內(nèi)管內(nèi)壁施加加載壓力后,內(nèi)管管壁產(chǎn)生徑向膨脹,直到內(nèi)管外表面與外管內(nèi)表面剛好接觸,間隙消除,此時(shí)還未產(chǎn)生接觸壓力。(2)復(fù)合階段隨著加載壓力的繼續(xù)增加,開(kāi)始了對(duì)外管的加載過(guò)程。外管首先出現(xiàn)彈性擴(kuò)張,直到外管內(nèi)表面滿(mǎn)足屈服條件后,外管出現(xiàn)部分塑性擴(kuò)張。隨著加載壓力不斷加大,外管中的塑性區(qū)不斷擴(kuò)展,直到達(dá)到最大加載壓力為止。(3)卸載階段加載壓力從最大逐漸減少至零,這時(shí)內(nèi)管與外管均處于卸載狀態(tài)。由于第二階段中產(chǎn)生了塑性變形,當(dāng)加載壓力完全消除后,內(nèi)外管之間仍然接觸,產(chǎn)生殘余接觸壓力。在塑性復(fù)合過(guò)程中,內(nèi)管發(fā)生了大塑性變形,外管則處于彈性變形狀態(tài)或部分塑性變形狀態(tài),在卸載時(shí)由于外管的回彈量大于內(nèi)管的回彈量,外管箍緊內(nèi)管,兩管之間形成脹緊力,即殘余接觸壓力,達(dá)到緊密的機(jī)械結(jié)合;殘余接觸壓力的大小取決于材料的回彈能力。如果在高溫條件下,則在復(fù)合階段管層間塑性變形量越大,越易在結(jié)合界面發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng),達(dá)到界面冶金結(jié)合。2冷法的形成2.1機(jī)械結(jié)合的應(yīng)用機(jī)械拉拔法是取兩根分別制成的金屬管,將一支套在另一支外面,然后通過(guò)模具進(jìn)行拉拔,從而實(shí)現(xiàn)緊密配合的機(jī)械結(jié)合,使兩種管結(jié)合為一體。專(zhuān)利文獻(xiàn)介紹的拉拔法如圖1a所示,拉拔前將內(nèi)外管松套在一起,通過(guò)成形模使內(nèi)外管均產(chǎn)生塑性變形,達(dá)到緊密的機(jī)械結(jié)合,顯然這種工藝只能用于小直徑管道。專(zhuān)利文獻(xiàn)介紹的另一種拉拔法如圖1b所示,用大小不同的錐形拉擠模穿入內(nèi)管,外部動(dòng)力通過(guò)拉桿帶動(dòng)拉擠模向管材作相對(duì)移動(dòng),對(duì)內(nèi)管完成軸向擴(kuò)徑擠壓的過(guò)程,達(dá)到內(nèi)管與外管緊密的機(jī)械結(jié)合。由于機(jī)械拉拔法的模具表面與管材的表面全接觸,在拉拔過(guò)程中摩擦阻力大,因此與滾壓法相比需要的成形力大,能耗高。另外在拉拔后一般都還要輔以縮徑加工或擴(kuò)徑加工,這主要取決于基管與覆管彈性模量的差異,若覆材的彈性模量小于基材的彈性模量,且覆管在外層,則需擴(kuò)徑加工;而在內(nèi)層時(shí),則需縮徑加工。2.2滾壓方式的影響專(zhuān)利文獻(xiàn)介紹的一種滾壓復(fù)合技術(shù),是通過(guò)心軸回轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾動(dòng)體不斷擠壓內(nèi)管,其周向分布的滾壓體能隨時(shí)自動(dòng)進(jìn)行徑向位移補(bǔ)償,同時(shí)滾壓力保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定,使內(nèi)管產(chǎn)生直徑擴(kuò)脹的塑性變形,從而獲得內(nèi)外管間產(chǎn)生殘余接觸壓力的緊密機(jī)械結(jié)合,如圖2所示。由于滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)管進(jìn)行局部連續(xù)滾壓,所以滾壓法具有摩擦阻力小、驅(qū)動(dòng)功率低,能耗底等優(yōu)點(diǎn)。但是滾壓法由于滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)管多次連續(xù)的滾壓,容易造成內(nèi)管變薄,嚴(yán)重時(shí)造成內(nèi)管開(kāi)裂,且在內(nèi)管易形成加工硬化現(xiàn)象。如果滾壓過(guò)程在高溫下進(jìn)行,則內(nèi)、外管也可實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。2.3碳鋼管的安裝機(jī)械旋壓法原理如圖3,復(fù)合過(guò)程中組合好的復(fù)合坯管旋轉(zhuǎn)的同時(shí),三個(gè)呈錐形的旋輪反方向旋轉(zhuǎn)并推進(jìn),由此外層碳鋼管均勻地貼于不銹鋼管上,形成靜配合的細(xì)螺紋連結(jié)。這種方法適用范圍比較有限,加工大管徑比較困難,而且管層間界面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度低。2.4外管彈性回復(fù)能力液壓脹形法的原理為先將兩管套裝在一起,對(duì)管內(nèi)加壓,隨著管內(nèi)壓力升高,內(nèi)層管由彈性變形狀態(tài)進(jìn)人塑性變形狀態(tài),并貼緊外管。當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到一定值時(shí),外管發(fā)生彈性變形,兩管緊密貼合在一起,當(dāng)內(nèi)管壓力卸除后,如外層管彈性回復(fù)能力大于內(nèi)層管的彈性回復(fù)能力,則內(nèi)外管緊密貼合。液壓脹形法具有接觸壓力分布均勻,便于控制,管內(nèi)表面無(wú)擦傷和破壞現(xiàn)象,且無(wú)加工硬化現(xiàn)象。但是液壓脹形裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)焊管的質(zhì)量要求較高,且對(duì)密封技術(shù)要求較高。3熱態(tài)法3.1復(fù)合金屬管制備方法爆炸成形法是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波,使兩搭接的金屬表面實(shí)現(xiàn)固相焊接的方法。金屬?gòu)?fù)合管的爆炸成形法一般有兩種:一種是間接法,既先把通過(guò)爆炸成形法得到兩種金屬?gòu)?fù)合板,再經(jīng)熱軋、冷軋成復(fù)合帶,然后在焊管機(jī)組上進(jìn)行連續(xù)輥式成型、焊接以得到復(fù)合金屬管;另一種方法是直接法,其方法是先把基管和覆管組裝成復(fù)合管坯,管內(nèi)炸藥爆炸的沖擊波使內(nèi)管發(fā)生塑性變形緊貼在外管上。但是采用該法比較危險(xiǎn),需要專(zhuān)用的場(chǎng)地,技術(shù)要求高,對(duì)精確計(jì)算炸藥量需要有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。3.2復(fù)合擠壓法復(fù)合擠壓法,又稱(chēng)熱擠壓法,其原理如圖4所示。它是將兩種或兩種以上的金屬組成的大直徑復(fù)合管坯料加熱到1200℃左右,然后通過(guò)由模具和心軸組成的環(huán)狀空間進(jìn)行擠壓。當(dāng)擠壓坯料截面縮減到10∶1時(shí),極高的擠壓壓力和溫度會(huì)在界面處產(chǎn)生“壓力鍛”的焊接效應(yīng),促進(jìn)界面間的快速擴(kuò)散和充分結(jié)合,成品為冶金結(jié)合的復(fù)合擠壓管。復(fù)合擠壓法特別適合于熱加工性能差、塑性低的高合金金屬的加工復(fù)合。但是由于結(jié)合狀態(tài)取決于擠壓過(guò)程中極短時(shí)間內(nèi)的元素界面擴(kuò)散,而界面間氧化膜的存在會(huì)影響結(jié)合的效果;另外由于熱擠壓時(shí)變形抗力小,每次的變形程度大,復(fù)合管表面粗糙度較高。目前,該法僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金鋼管材的復(fù)合。4熱復(fù)合塑性成形技術(shù)塑性冷復(fù)合制備而成的復(fù)合管界面均為機(jī)械結(jié)合,通常都是由基層材料或基、覆層材料產(chǎn)生局部、少量的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合的,界面非擴(kuò)散冶金結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度比較低。因而所制備的金屬?gòu)?fù)合管只能適用于常溫條件,在高溫條件下會(huì)有分層傾向。但塑性冷復(fù)合技術(shù)工藝比較簡(jiǎn)單,對(duì)設(shè)備的要求也比較低,容易實(shí)現(xiàn)。所以當(dāng)金屬?gòu)?fù)合管的應(yīng)用環(huán)境比較好,對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度要求比較低的情況下,界面為機(jī)械結(jié)合的冷復(fù)合塑性成形制造技術(shù)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。塑性熱復(fù)合技術(shù)制備而成的復(fù)合管界面可達(dá)冶金結(jié)合,該類(lèi)復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度高,適合于高溫等場(chǎng)合的使用,熱復(fù)合塑性成形技術(shù)具有很好的開(kāi)發(fā)前景。但是目前在高溫條件下,存在著金屬具有不同的變形抗力等技術(shù)難題,因此熱復(fù)合成形技術(shù)難度較大。由機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合特點(diǎn),比較塑