本发明属于无缝金属复合管成形，具体涉及一种无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备。
背景技术：
1、同时随着生产制造需要的提高，单一材质的无缝钢管已经不能满足现代工业工程中特殊服役环境的性能需求，因此无缝金属复合管应运而生。无缝金属复合管是指由多种层状分布的组元金属管材通过界面结合完成功能转化的结构功能一体化复合材料，因其兼具多种组元金属管材的优异结构和功能特性，可以广泛应用于航空航天、石油化工、武器装备、汽车制造、海洋工程、管道工程等领域，从而具有巨大市场需求。
2、爆炸复合是指一种利用炸药爆炸产生的巨大能量将两种或多种不同材料瞬间焊接复合在一起的加工技术，采用该技术制备无缝金属复合管包括以下几个关键步骤，一是将基管套装在覆管之内，二是在基管内部铺设炸药，三是利用炸药爆炸时产生的瞬时超高压和超高速冲击能，实现组元金属层间的冶金结合，金属之间发生原子扩散和剧烈塑性变形，并且周期性爆炸波形成波状复合界面，有利于提高结合面积和结合强度。然而，爆炸复合的缺点也十分明显，例如无缝金属复合管易产生裂纹，存在严重的噪声和环境污染，成形效率较低，制约了其后续发展应用。液压涨形是一种利用液体压力和模具将无缝金属管材加工成一定形状的方法，工艺原理简单但是加工效率较低，液压胀管机加工一根管子或者管接头需要多次穿孔和加工，这会导致加工效率相对较低，尤其是在高强度钢管或者大直径钢管的涨形过程中加工效率更加缓慢，并且对于无缝金属复合管仅能实现机械结合，无法承受热应力。
3、因此，爆炸复合、液压涨形等现有制备技术面临成形效率低、结合强度弱、组元性能差、工艺流程长等诸多问题，亟待开发无缝金属复合管高效连续形性可控成形技术与装备。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制装置，通过在固态外层金属的内表面或固态内层金属的外表面加工凹槽或凸起，填充液态内层金属或浇注液体外层金属，可以显著提高成形效率，同时在锥形顶头或锥形轧辊的表面设置空间模头，能够增加接触面积，强化内层金属和外层金属的界面结合，此外还可以调整空间模头的形状、尺寸、分布、位置等规律即可实现复合界面空间结构定制，获得螺旋状、交叉状等空间复合界面，以及外侧表面波纹、内侧表面波纹等多种结构产品，设备结构简单可靠，使用寿命高等优点。
2、本发明提供一种无缝金属复合管穿孔轧制方法，其包括以下步骤：
3、s1、确定组元金属：根据目标产品工作环境性能需求，确定无缝金属复合管组元金属信息；
4、s2、确定复合界面类型：根据目标产品工作环境载荷需求，无缝金属复合管复合界面采用空间波纹复合界面；
5、s3、确定空间波纹复合界面：确定无缝金属复合管空间波纹复合界面结合类型以及空间波纹复合界面的结构参数；
6、s4、确定空间波纹复合界面形成工艺：锥形轧辊和锥形顶头形成空间波纹复合界面；
7、s5、确定空间波纹复合界面预制复合坯料的组坯方式：判断预制复合坯料的组坯方式是否采用固-液复合组坯方式，若预制复合坯料的组坯方式采用固-液复合组坯方式，则将外层金属或内层金属确定为固态金属，通过铸造方式进行固-液复合组坯形成预制复合坯料；若预制复合坯料的组坯方式采用固-固复合组坯方式，则将外层金属和内层金属进行固相套装组坯，固相套装组坯的两端封焊抽真空形成预制复合坯料；
8、s6、加热预制复合坯料：对预制复合坯料进行同温加热或异温加热，达到目标穿轧温度后等待穿孔轧制复合；
9、s7、确定空间模头：依据确定的空间波纹复合界面，在锥形轧辊上设置外侧空间模头、在锥形顶头上设置内侧空间模头或同步在锥形轧辊以及锥形顶头上分别设置外侧空间模头和内侧空间模头；
10、s8、确定变形孔型：根据目标尺寸规格确定无缝金属复合管的尺寸，启动顶杆小车带动锥形顶头沿轧制轴线向前移动到预设位置，分别调整锥形轧辊和导向装置的安装位置，使得锥形轧辊、导向装置和锥形顶头，共同围成变形孔型；
11、s9、输送复合坯料：通过推入机将预制复合坯料沿导管送入锥形轧辊、导向装置和锥形顶头构成的变形孔型中；
12、s10、穿孔轧制复合：在锥形顶头的内部穿孔、导向装置的边部导向和锥形轧辊的外部轧制共同作用下，预制复合坯料壁厚减薄且轴向延伸，获得具有空间波纹复合界面的无缝金属复合管；
13、s11、收集终态产品：预制复合坯料经过穿孔轧制复合后获得无缝金属复合管，通过冷却定尺操作后，最终获得目标尺寸规格的无缝金属复合管成品。
14、进一步地，外侧空间模头设置于锥形轧辊的咬入段或定径段，能在无缝金属复合管外部表面形成凹凸形貌，当外侧空间模头高度高于定径段最大高度时，能获得具有外部表面凹凸形貌的无缝金属复合管，当外侧空间模头高度低于定径段最大高度时，无缝金属复合管的外部表面凹凸形貌能轧制平整，能获得具有外部表面平滑且具有空间波纹复合界面的无缝金属复合管。
15、进一步地，内侧空间模头设置于锥形顶头的构型段或平整段，在无缝金属复合管内部表面形成凹凸形貌，当内侧空间模头高度高于精整段最大高度时，能获得具有内部表面凹凸形貌的无缝金属复合管，当内侧空间模头高度低于精整段最大高度时，无缝金属复合管的内部表面凹凸形貌能轧制平整，能获得具有内部表面平滑但具有空间波纹复合界面的无缝金属复合管。
16、本发明的第二方面，提供一种无缝金属复合管穿孔轧制方法的穿孔轧制设备，其包括主机座单元、主传动单元、前台单元和后台单元，前台单元、主机座单元、主传动单元以及后台单元沿轧制轴线依次布置，前台单元设于主机座单元的入口端，前台单元包括推入机、受料槽和导管，且推入机、受料槽以及导管沿轧制轴线依次布置；主机座单元包括轧机机架、锥形轧辊和导向装置，锥形轧辊呈直径渐变的锥形状结构，且沿锥形轧辊中心轴线由入口端至出口端依次设置多个分段锥形，多个分段锥形包括咬入段、定径段以及扩径段，且锥形轧辊的外侧弧面设有外侧空间模头，锥形轧辊和导向装置设于轧机机架上，且沿轧制轴线周向均布设置，锥形轧辊、导向装置与锥形顶头共同构成变形孔型；主传动单元设于后台单元的两侧，且主传动单元包括主电机、主减速机和万向接轴，主电机的输出轴与主减速机的输入轴连接，且主减速机的输出轴通过万向接轴与锥形轧辊传动连接；后台单元设于主机座单元的出口端，且后台单元包括后台机架、锥形顶头、顶杆、顶杆小车和多个定心机，锥形顶头呈直径渐变的锥形状结构，且沿锥形顶头中心轴线由入口端至出口端依次设置多个分段锥形，多个分段锥形包括顶尖段、构型段、平整段、精整段以及退出段，且锥形顶头中精整段的母线与锥形轧辊中定径段的母线相平行，锥形顶头的外侧弧面设有内侧空间模头，多个定心机均布设于后台机架的第一端，顶杆小车滑动设于后台机架的第二端，且锥形顶头的第一端与顶杆的第一端连接，顶杆的第二端与顶杆小车连接，顶杆小车通过顶杆能带动锥形顶头在后台机架上沿轧制轴线移动，且锥形顶头和顶杆可以绕轧制轴线转动；在受料槽中放入预制复合坯料，推入机将预制复合坯料沿导管送入锥形轧辊、导向装置和锥形顶头构成的变形孔型中，顶杆小车通过顶杆带动锥形顶头沿轧制轴线向前移动，在预制复合坯料的中心处进行穿孔轧制，从而获得无缝金属复合管。
17、优选地，锥形轧辊轴线与轧制轴线在主垂直面上的投影夹角为送进角 β，且送进角 β的角度范围为0-15°，锥形轧辊轴线与轧制轴线在轧制主平面上的投影夹角为辗轧角α，且辗轧角α的角度范围为0-20°。
18、优选地，锥形轧辊中咬入段的母线与轧制轴线在轧制主平面上的投影夹角为咬入角 αin，锥形轧辊中扩径段的母线与轧制轴线在轧制主平面上的投影夹角为扩径角 αout，且咬入段的母线与锥形轧辊中心轴线之间的夹角为第一夹角 α1，且 α1= α+ αin，定径段的母线与锥形轧辊中心轴线之间的夹角为第二夹角 α2，且 α2= α，扩径段的母线与锥形轧辊中心轴线之间的夹角为第三夹角 α3， α3= α2- αout，且第一夹角 α1大于第二夹角 α2，第二夹角 α2大于第三夹角 α3。
19、优选地，外侧空间模头的空间结构采用点状结构、线状结构或环状结构，外侧空间模头的分布方式采用在锥形轧辊外侧弧面沿锥形轧辊中心轴线轴向分布方式、在锥形轧辊外侧弧面绕锥形轧辊中心轴线周向分布方式、在锥形轧辊外侧弧面螺旋分布方式或在锥形轧辊外侧弧面交叉方式。
20、优选地，锥形顶头中顶尖段的母线与锥形顶头中心轴线之间的夹角为第一顶头夹角，锥形顶头中构型段的母线与锥形顶头中心轴线之间的夹角为第二顶头夹角，锥形顶头中平整段的母线与锥形顶头中心轴线之间的夹角为第三顶头夹角，锥形顶头中精整段的母线与锥形顶头中心轴线之间的夹角为第四顶头夹角，锥形顶头中退出段的母线与锥形顶头中心轴线之间的夹角为第五顶头夹角，且第一顶头夹角大于第二顶头夹角，第二顶头夹角大于第三顶头夹角，第三顶头夹角大于第五顶头夹角的绝对值，第五顶头夹角的绝对值大于第四顶头夹角。
21、优选地，内侧空间模头的空间结构采用点状结构、线状结构或环状结构，内侧空间模头的分布方式采用在锥形顶头外侧弧面沿锥形顶头中心轴线轴向分布方式、在锥形顶头外侧弧面绕锥形顶头中心轴线周向分布方式、在锥形顶头外侧弧面螺旋分布方式或在锥形顶头外侧弧面交叉方式。
22、本发明的第三方面，提供一种无缝金属复合管穿孔轧制方法，其包括以下步骤：
23、s1、确定组元金属：根据目标产品工作环境性能需求，确定无缝金属复合管组元金属信息；
24、s2、确定复合界面类型：根据目标产品工作环境载荷需求，判断无缝金属复合管复合界面是否采用空间波纹复合界面，若无缝金属复合管复合界面采用空间波纹复合界面，则执行步骤s4；若无缝金属复合管复合界面采用空间平滑复合界面，则执行步骤s3；
25、s3、确定空间平滑复合界面的预制复合坯料的组坯方式：根据目标产品工作环境性能需求，判断预制复合坯料的组坯方式是否采用固-液复合组坯方式，若预制复合坯料的组坯方式采用固-液复合组坯方式，则将外层金属或内层金属确定为固态金属，通过铸造方式进行固-液复合组坯形成预制复合坯料；若预制复合坯料的组坯方式采用固-固复合组坯方式，则将外层金属和内层金属进行固相套装组坯，固相套装组坯的两端封焊抽真空形成预制复合坯料；预制复合坯料完成后，则执行步骤s8；
26、s4、确定空间波纹复合界面：确定无缝金属复合管空间波纹复合界面结合类型以及空间复合界面的结构参数；
27、s5、确定空间波纹复合界面形成工艺：判断空间波纹复合界面是否采用锥形轧辊和锥形顶头轧制形成，若空间波纹复合界面采用锥形轧辊和锥形顶头轧制形成，则采用空间平滑复合界面的预制复合坯料，执行步骤s7；若空间波纹复合界面不采用锥形轧辊和锥形顶头轧制形成，则采用空间波纹复合界面的预制复合坯料，执行步骤s6；
28、s6、确定空间波纹复合界面的预制复合坯料的组坯方式：根据目标产品工作环境性能需求，判断预制复合坯料的组坯方式是否采用固-液复合组坯方式，若预制复合坯料的组坯方式采用固-液复合组坯方式，则将外层金属或内层金属确定为固态金属；如果确定外层金属为固态，则在外层金属的内表面设置凹凸形貌；如果确定内层金属为固态，则在内层金属的外表面设置凹凸形貌，通过铸造方式进行固-液复合组坯形成预制复合坯料；若预制复合坯料的组坯方式采用固-固复合组坯方式，则在外层金属的内表面设置凹凸形貌、内层金属的外表面设置凹凸形貌或同步在外层金属的内表面以及内层金属的外表面分别设置凹凸形貌，将外层金属和内层金属进行固相套装组坯，固相套装组坯的两端封焊抽真空形成预制复合坯料，预制复合坯料完成后，则执行步骤s8；
29、s7、确定空间平滑复合界面的预制复合坯料的组坯方式：判断预制复合坯料的组坯方式是否采用固-液复合组坯方式，若预制复合坯料的组坯方式采用固-液复合组坯方式，则将外层金属或内层金属确定为固态金属，通过铸造方式进行固-液复合组坯形成预制复合坯料；若预制复合坯料的组坯方式采用固-固复合组坯方式，则将外层金属和内层金属进行固相套装组坯，固相套装组坯的两端封焊抽真空形成预制复合坯料，预制复合坯料完成后，则执行步骤s8；
30、s8、加热复合坯料：对预制复合坯料进行同温加热或异温加热，达到目标穿轧温度后等待穿孔轧制复合；
31、s9、穿孔轧制复合：启动顶杆小车带动锥形顶头沿轧制轴线向前移动到预设位置，分别调整锥形轧辊和导向装置的安装位置，预制复合坯料在锥形轧辊、导向装置和锥形顶头共同围成的变形孔型中进行穿孔轧制复合；
32、s10、收集终态产品：预制复合坯料经过穿孔轧制复合后获得无缝金属复合管，通过冷却定尺操作后，最终获得目标尺寸规格的无缝金属复合管成品。
33、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
34、1、本发明提供的无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备，设备结构简单可靠，使用寿命高，在不改变锥形轧辊和锥形顶头的结构条件下，进行分段渐变处理，锥形轧辊包括咬入段、定径段、扩径段，锥形顶头包括顶尖段、构型段、平整段、精整段和退出段，通过渐变分段处理，改善金属流动规律，降低锥形顶头的磨损消耗，从而提高设备使用寿命，进一步提高穿孔轧制后无缝金属复合管坯尺寸精度和形状精度。
35、2、本发明提供的无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备，能够柔性套装组坯，提高成形效率，固态外层金属的内表面或固态内层金属的外表面加工凹槽或凸起，填充液态内层金属或浇注液态外层金属，可以避免传统固-固相复合组坯对同轴度、圆柱度、洁净度等配合要求高的问题，固-液界面的高温促进界面元素扩散，实现冶金结合，可以显著提高成形效率，并且空间复合界面的相互啮合作用可以显著提高协调变形能力，液体金属凝固后获得的预制复合坯料仍处于高温状态，直接进入加热炉加热，可显著降低能源消耗。
36、3、本发明提供的无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备，能够增大接触面积，强化界面结合，锥形顶头的构型段的内侧空间模头可以在无缝金属复合坯料形成内部表面凹凸形貌，之后在平整段内被轧平获得内部表面平滑形貌，最后经过精整段获得目标尺寸，但组元金属之间具有宏观或微观空间复合界面，可以显著提高结合面积，提升结合强度，除此以外，当内侧空间模头高度高于平整段时，之后内部表面凹凸形貌在平整段内无法被轧平，因此保留内部表面凹凸形貌，获得具有内部表面凹凸形貌的无缝金属复合管。
37、4、本发明提供的无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备，锥形轧辊的咬入段的外侧空间模头可以在无缝金属复合坯料形成外部表面凹凸形貌，之后在定径段内被轧平获得外部表面平滑形貌，最后经过扩径段获得目标尺寸，但组元金属之间具有宏观或微观空间复合界面，可以显著提高结合面积，提升结合强度，除此以外，当外侧空间模头高度高于定径段时，之后外部表面凹凸形貌在定径段内无法被轧平，因此保留外部表面凹凸形貌，获得具有外部表面凹凸形貌的无缝金属复合管。
38、5、本发明提供的无缝金属复合管穿孔轧制方法及其穿孔轧制设备，能够实现高效成形，定制界面结构，将锥形轧辊和锥形顶头进行集成化设计，沿轧制轴线由入口侧至出口侧依次设置直径渐变的分段锥形，凹凸表面的成形过程与轧平过程高度集中，通过调整空间模头的形状、尺寸、分布、位置等规律即可实现复合界面空间结构定制，获得螺旋状、交叉状等空间复合界面，以及外侧表面波纹、内侧表面波纹等多种结构产品。