一种双层复合管及其制备方法与流程

本发明涉及管件加工技术领域，具体地，涉及一种双层复合管及其制备方法。

背景技术：

管道作为常见的气体、液体、粉末等介质的流体输送装置，被广泛地应用于航空航天、交通运输、汽车、城市燃气、给水和供热系统以及冶金、石油、化工、电力等各个领域。随着国民经济的不断发展和人民生活水平的提高，工业建设和住宅建设的日益扩大，对输送管道的性能要求也在不断提高，在保证刚度的基础上，还要有良好的耐腐蚀性能以及耐高温性能等。

双金属复合管是由两种不同的金属管材构成，内外两种管材之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合，受外力作用时，内外管材同时变形且界面不分离。双金属复合管的一般设计原则是基材满足零部件的设计应力，内管满足耐腐蚀或耐磨损等性能要求。与单一金属管相比，双金属复合管综合了组分金属材料的物理、化学和力学特性，能充分利用外管和内管的特性，不仅具有所要求的高强度，而且还具有优良的防腐蚀、耐磨损等性能，并且节约了稀有和贵重金属的使用，降低了生产成本。因此，双金属复合管可被广泛应用于石油、化工、核工业、医疗、食品、建筑、消防等领域的输送用管、换热器用管及器械用管等。

双金属复合管中内管主要实现防腐功能，外管提高刚度和强度，相比单纯的铝合金管材构件成本降低、刚度强度提高；相比单纯的钢管提高防腐性能，比刚度提高而实现轻量化。

若内管选择高强度铝合金挤压管材，高强铝合金挤压管材成形性能较差，5系、6系和7系的铝合金挤压管材延伸率最大不超过10％，有的甚至低于5％，即使采用退火或是固溶处理其延伸率提高一般也不超过20％。因此，采用高强铝合金挤压管材成形复杂形状管状构件几乎是不能实现的。同时，高强铝合金管状构件一般具有防腐或减重的使用特征，还对强度、刚度、表面硬度和抗疲劳等机械性能具有较高要求。

现有的双层金属管加工采用液压膨胀法，液压胀形工艺中管端密封一般采用机械压紧密封，即双层金属管的两端被压紧变形实现密封，这样的密封方式使内外层金属管坯在胀形时两端的材料不能向成形区域流动形成补料的作用，因此，采用此种方式液压成形的管件成形区减薄严重，甚至产生破裂。

因此，迫切需要一种制作工艺加工双层金属管，充分利用内管和外管的优势、简化加工工艺。

技术实现要素：

解决上述问题所采用的技术方案是一种双层复合管及其制备方法。

本发明提供的一种双层复合管的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

装配：将中空铝合金管坯设置于中空碳钢管坯内部，形成双层复合管坯；

成形：将所述双层复合管坯置于挤压空间中，所述的挤压空间能与所述双层复合管坯相匹配，并具有形成目标形状的型腔；

在所述双层复合管坯的中空铝合金管坯中填充介质颗粒；

从所述双层复合管坯两端的轴向方向对所述介质颗粒施加压力；

所述双层复合管坯发生形变填充所述的型腔，形成双层复合管。

优选的，所述的中空碳钢管坯是通过卷焊得到的。

优选的，所述的型腔为凸环、四面体或六面体。

优选的，所述的中空碳钢管坯的材料选自Q235或304不锈钢板。

优选的，所述的中空铝合金管坯的材料选自AA6061或AA5052。

优选的，所述的挤压空间是由管件模具和介质压头围成的封闭空间组成；

其中，管件模具至少为两个，并由驱动机构进行驱动作相对运动；

所述介质压头包括第一压头和第二压头，用于对所述介质颗粒施加压力。

优选的，在装配步骤之前还包括对所述中空铝合金管进行热处理的步骤；

所述的热处理方法包括：退火处理或固溶处理。

优选的，在成形步骤之后还包括对所述双层复合管进行时效处理的步骤。

本发明的目的还在于提供一种双层复合管，所述双层复合管是采用上述的双层复合管的成形方法制备的。

本发明具有下述优势：

1)由于5系、6系和7系(所谓的5系、6系、7系是指铝合金挤压管材标号AA后分别以5、6、7开头)等高强铝合金材料的延伸性较差，特别是挤压管材；同时焊接性能也较差，难以制备板材卷焊管，这些都是限制高强铝合金管材难以在实际生产中广泛应用的主要原因。若是将其外覆薄壁碳钢管得到复合管坯，内衬高强铝合金管坯在介质颗粒的内压和碳钢管外包覆的双重作用下，能够有效的提高其成形性能。成形性能提高的机理在于，厚向压力大幅提高使得成形极限提高；同时增强两管之间的摩擦作用，从而抑制内衬管坯变形减薄，这不同于一般的胀形变形过程的应力应变状态。

(2)双层复合管坯的制备简单。内衬管可选用挤压高强铝合金管材，中空碳钢管坯根据挤压管材外径卷焊得到。由于介质颗粒胀形工艺对双层复合管坯的圆度和尺寸公差要求较低，特别是对内衬和中空碳钢管坯配合尺寸要求低，这使得该工艺的管坯制备非常便捷和廉价；

(3)高强铝合金管状构件一般具有防腐、减重和吸能等应用特征，同时对强度、刚度、表面硬度和抗疲劳等机械性能具有较高要求，若采用中空碳钢管坯与内衬高强铝合金挤压管相结合，并且通过调整双金属材料的材质和厚度能够更大程度的适应使用需求，实现最优的材料利用效率，可进一步拓展管状构件的应用领域。

(4)采用介质颗粒胀形工艺制备该类型复合管件，成形工艺对模具和加载设备要求较低，可在通用压机上实现工艺步骤，无需增加外部装置，工艺实现简便，无需增加更多的投资。

附图说明

图1为本发明的实施例1中双层复合管装配流程图。

图2为本发明的实施例1中双层复合管成形模具的开模剖视图。

图3为本发明的实施例1中双层复合管成形模具的合模剖视图。

图4为本发明的实施例1中双层复合管成形模具的挤压成形剖视图。

图5为本发明的实施例2中制备的双层复合管照片。

图6为本发明的实施例3中制备的双层复合管照片。

附图标记：1.中空碳钢管坯；2.中空铝合金管坯；3.双层复合管坯；4.焊口；5.介质颗粒；6.介质压头；61.第一压头；62.第二压头；7.管件模具；71.第一管件模具；72.第二管件模具；8.模架；9.合模油缸；10.挤压空间；11.导杆；12.导杆螺母；13.型腔；14.双层复合管。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供一种双层复合管的成形方法，包括以下步骤：

装配：将中空铝合金管坯2设置于中空碳钢管坯1内部，形成双层复合管坯3；

具体地，如图1所示，中空碳钢管坯1的焊口4需要清理打平，内径按照中空铝合金管坯2的外径基本尺寸采用基轴间隙配合B11级设计，并采用同样精度等级控制焊接中空碳钢管坯1的圆柱度。然后，将两个不同材质的中空碳钢管坯1和中空铝合金管坯2进行装配，得到双层复合管坯3。

优选的，所述的中空碳钢管坯1是通过卷焊得到的。

成形：将所述双层复合管坯3置于挤压空间10中，所述的挤压空间10能与所述双层复合管坯3相匹配，并具有形成目标形状的型腔13；

在所述双层复合管坯3的中空铝合金管坯2中填充介质颗粒5；

从所述双层复合管坯3两端的轴向方向对所述介质颗粒5施加压力；

所述双层复合管坯3发生形变填充所述的型腔13，形成双层复合管14。

具体地，如图2所示，模具装置处于开启状态，介质压头6包括第一压头61和第二压头62，其中，第一压头61上处于上限位置，第二介质压头62处于下限位置，均通过液压设备直接驱动；

管件模具7包括第一管件模具71和第二管件模具72，处于开模状态，分别通过两侧的合模油缸9直接驱动，并安装在导杆11上实现滑动导向，导杆11通过导杆螺母12固定在模架8上。上述的第一介质压头61、第二介质压头62、第一管件模具71和第二管件模具72在开模状态能保证双层复合管坯3顺利装入。

如图3所示，装入双层复合管坯3、第二介质压头62、第一管件模具71、第二管件模具72分别运动至合模位置，然后装入介质颗粒5后；第一介质压头61也运动至合模位置。

上述的第一介质压头61、第二介质压头62、第一管件模具71和第二管件模具72在合模后形成挤压空间10，所述的挤压空间10，能够与双层复合管坯3相配合，并且具有形成目标形状的型腔13。

所述的型腔13为凸环、四面体或六面体。可以理解的是，型腔13的形状可以根据具体需要来设计。

如图4所示，第一管件模具71和第二管件模具72分别在合模油缸90的压力保持下确保合模状态，此时第一介质压头61、第二介质压头62同时在液压设备的驱动下进行加载，介质颗粒5承载后迫使双层复合管坯3变形贴模，得到双层复合管14。成形后第一介质压头61、第二介质压头62首先移动至初始位置，而后第一管件模具71和第二管件模具72移动至初始位置，取出双层复合管14，完成成形过程。

上述方法利用中空碳钢管坯与中空铝合金管坯耦合变形时的包覆压力作用，以及两管坯之间的摩擦保持效果，极大的提高了铝合金管材的成形性能，能够成形常规方法得不到的复杂管状构件。

并且，通过调整中空碳钢管坯和中空铝合金管坯的材质和厚度，充分发挥铝合金比强度高、耐腐蚀性强的优点，发挥钢材硬度高、强度高、焊接性能优良的优点，可以适应不同使用条件的刚度和强度要求，能够实现构件轻量化的目标。

同时，由于中空铝合金管坯的焊接性能较差，可选用挤压管材；而钢板的焊接性能较好，中空碳钢管坯可根据铝合金挤压管外径尺寸进行焊接，中空碳钢管坯和中空铝合金管坯在装配中两管坯之间必然存在一定的间隙，但是通过介质颗粒内高压胀形使得两管坯共同耦合变形并紧密贴合，保证了复合管件的整体性。

介质颗粒胀形工艺相比其它内高压成形工艺，复合管坯两端不需要压紧密封来形成胀形内高压，因此介质颗粒胀形过程中双层复合管坯两端是可以自由收缩的，这是提高成形管件壁厚均匀性的关键所在。同时，由于双层复合管坯的两种材质的材料性能差异，成形中内外管坯的收缩量必然存在差异，自由的管端边界条件更加有利于复合管件的成形。

采用双层复合管坯进行介质颗粒内高压胀形，具有下述优势：

①在介质颗粒内压胀形过程中，介质颗粒始终包覆于中空铝合金管坯内表面，迫使内外双金属管坯共同耦合变形，中空碳钢管坯变形反作用于中空铝合金管坯的表面法向压力可使内层中空铝合金管坯的成形性能显著提高；同时，管壁正压力的提高，增强了两管壁接触之间的摩擦作用，该摩擦能够抑制中空铝合金管坯成形中的减薄，即所谓的摩擦保持效果增强，也是提高成形极限的重要因素之一；

②根据产品需求选择内外金属的材质，更可以设计内外层金属的厚度比来调节产品的刚度和强度需求，实现最优的材料利用效率。由于介质颗粒胀形工艺采用固体颗粒传压，形成工艺需求的管坯高内压环境无需特殊的密封装置，因此对管件圆度、尺寸公差等要求很低，这一工艺优势使得双层复合管坯制备可采用中空碳钢管坯与中空铝合金管坯进行大间隙装配，降低了双层复合管制备的条件，从而降低了制造成本。

下面对具体成形过程中两管坯受力情况进行分析：

假设：中空铝合金管坯内、外半径分别为a和b；外管内、外半径分别为c和d；管壁厚度为t。复合前c>b，即中空铝合金管坯和中空碳钢管坯之间存在间隙。根据弹塑性力学理论，在胀形复合过程中，中空铝合金管坯逐渐膨胀，并与中空碳钢管坯逐渐结合。在平面应力条件下，以理想弹塑性为材料模型，在中空铝合金管坯发生塑性变形并与中空碳钢管坯刚刚接触，但尚未产生接触压力时，中空铝合金管坯受到的内压，中空铝合金管坯进一步膨胀后，就会与中空碳钢管坯之间产生接触压力。当接触压力达到某一极限值时，中空碳钢管坯表面刚好屈服，同时中空铝合金管坯受到的内压也达到其极限值。在加载过程中，中空铝合金管坯与中空碳钢管坯相接触并产生接触压力后，中空碳钢管坯仅受均匀内压(接触压力)的作用，由此可计算出管内任意位置处的受力状况和径向位移以及中空碳钢管坯内壁的位移量。在卸载阶段，中空铝合金管坯不再受到压力的作用，会自然的发生塑性卸载收缩，即中空铝合金管坯的外缘圆周会产生径向位移。中空碳钢管坯内壁处的位移量与中空铝合金管坯卸载时的自然收缩量之差，就是中空铝合金管坯和中空碳钢管坯在“共同”卸载过程中的过盈量，当外管内壁处的位移量不小于中空铝合金管坯自然收缩量时，卸载时接触面处存在残余压力。

实施例2

本实施例采用如实施例1中所述的方法，中空碳钢管坯1采用Q235板材焊接钢管，中空铝合金管坯2采用AA5052挤压管材，通过上述的步骤，成形凸环管件，具体见图5。

另外，在AA5052管材进行成形前，还可以对其进行的热处理，具体是退火处理，目的是提高延伸率，AA5052的强化可以通过应变强化，也就是胀形的程度越大，强化效果会更好。本实施例中AA5052的主要作用是防腐、吸能和减重，而构件的刚度和强度主要通过Q235板材焊接钢管实现。

实施例3

本实施例采用如实施例1中所述的方法，中空碳钢管坯1采用304不锈钢板卷焊管，中空铝合金管坯2采用AA6061挤压管材，通过上述的步骤，成形六面体管件，具体见图6。

另外，在AA6061管材进行成形前，可以进行热处理强化材料，应当理解的是，对于针对6系、7系铝合金挤压管材的热处理选择固溶处理。

固溶处理后马上与304不锈钢板卷焊管装配并且胀形成目标形状，然后进行人工时效恢复铝合金管材强度。AA6061管件的人工时效条件对304不锈钢的材料性能不会带来影响，这也是它们能复合使用的重要原因，因为成形后必然共同进入人工时效环节。这样管材构件的刚度和强度作用就由二者共同承担了，同时内衬铝合金材料仍然具有抗腐蚀、吸能和减重的重要作用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。