双金属复合管塑性复合成形技术研究进展

双金属复合管塑性复合成形技术研究进展

双金属复合管，也称为双管或包管，由两种不同的金属管道组成。管层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。复合管的一般设计原则是基材满足管道的设计应力,覆材满足耐腐蚀或耐磨损等性能。因此与单一金属管相比,复合管充分利用基管和覆管的最佳性能,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,因而双金属复合管具有广泛的应用领域。塑性复合成形技术是利用管材的局部或整体塑性变形来实现内管与外管之间紧密结合的复合工艺。目前,国内外双金属复合管复合工艺大部分都采用该技术。按塑性复合成形所处的状态不同,可分为冷成形法和热成形法。冷成形法有机械拉拔法、机械滚压法、机械旋压法和液压胀形法等;热成形法有爆炸成形法、热挤压法等。本文对塑性成形过程与机理进行了分析,并对上述各种塑性热成形和冷成形技术进行了分析和比较,对其未来的发展趋势进行了展望。1加载压力对残余接触压力的影响塑性复合成形技术利用材料的弹塑性特性,使内外管接触并产生紧密的结合。塑性复合成形技术种类很多,但其复合过程与机理基本上是一致的,以内覆管为例,其塑性复合过程可以分为以下三个连续过程:(1)内管变形阶段开始时内层管与外层管之间存在间隙,当内管内壁施加加载压力后,内管管壁产生径向膨胀,直到内管外表面与外管内表面刚好接触,间隙消除,此时还未产生接触压力。(2)复合阶段随着加载压力的继续增加,开始了对外管的加载过程。外管首先出现弹性扩张,直到外管内表面满足屈服条件后,外管出现部分塑性扩张。随着加载压力不断加大,外管中的塑性区不断扩展,直到达到最大加载压力为止。(3)卸载阶段加载压力从最大逐渐减少至零,这时内管与外管均处于卸载状态。由于第二阶段中产生了塑性变形,当加载压力完全消除后,内外管之间仍然接触,产生残余接触压力。在塑性复合过程中,内管发生了大塑性变形,外管则处于弹性变形状态或部分塑性变形状态,在卸载时由于外管的回弹量大于内管的回弹量,外管箍紧内管,两管之间形成胀紧力,即残余接触压力,达到紧密的机械结合;残余接触压力的大小取决于材料的回弹能力。如果在高温条件下,则在复合阶段管层间塑性变形量越大,越易在结合界面发生扩散反应,达到界面冶金结合。2冷法的形成2.1机械结合的应用机械拉拔法是取两根分别制成的金属管,将一支套在另一支外面,然后通过模具进行拉拔,从而实现紧密配合的机械结合,使两种管结合为一体。专利文献介绍的拉拔法如图1a所示,拉拔前将内外管松套在一起,通过成形模使内外管均产生塑性变形,达到紧密的机械结合,显然这种工艺只能用于小直径管道。专利文献介绍的另一种拉拔法如图1b所示,用大小不同的锥形拉挤模穿入内管,外部动力通过拉杆带动拉挤模向管材作相对移动,对内管完成轴向扩径挤压的过程,达到内管与外管紧密的机械结合。由于机械拉拔法的模具表面与管材的表面全接触,在拉拔过程中摩擦阻力大,因此与滚压法相比需要的成形力大,能耗高。另外在拉拔后一般都还要辅以缩径加工或扩径加工,这主要取决于基管与覆管弹性模量的差异,若覆材的弹性模量小于基材的弹性模量,且覆管在外层,则需扩径加工;而在内层时,则需缩径加工。2.2滚压方式的影响专利文献介绍的一种滚压复合技术,是通过心轴回转带动滚动体不断挤压内管,其周向分布的滚压体能随时自动进行径向位移补偿,同时滚压力保持稳定或基本稳定,使内管产生直径扩胀的塑性变形,从而获得内外管间产生残余接触压力的紧密机械结合,如图2所示。由于滚动体对内管进行局部连续滚压,所以滚压法具有摩擦阻力小、驱动功率低,能耗底等优点。但是滚压法由于滚动体对内管多次连续的滚压,容易造成内管变薄,严重时造成内管开裂,且在内管易形成加工硬化现象。如果滚压过程在高温下进行,则内、外管也可实现冶金结合。2.3碳钢管的安装机械旋压法原理如图3,复合过程中组合好的复合坯管旋转的同时,三个呈锥形的旋轮反方向旋转并推进,由此外层碳钢管均匀地贴于不锈钢管上,形成静配合的细螺纹连结。这种方法适用范围比较有限,加工大管径比较困难,而且管层间界面机械结合强度低。2.4外管弹性回复能力液压胀形法的原理为先将两管套装在一起,对管内加压,随着管内压力升高,内层管由弹性变形状态进人塑性变形状态,并贴紧外管。当管内压力达到一定值时,外管发生弹性变形,两管紧密贴合在一起,当内管压力卸除后,如外层管弹性回复能力大于内层管的弹性回复能力,则内外管紧密贴合。液压胀形法具有接触压力分布均匀,便于控制,管内表面无擦伤和破坏现象,且无加工硬化现象。但是液压胀形装置结构复杂,对焊管的质量要求较高,且对密封技术要求较高。3热态法3.1复合金属管制备方法爆炸成形法是利用炸药爆炸产生的冲击波,使两搭接的金属表面实现固相焊接的方法。金属复合管的爆炸成形法一般有两种:一种是间接法,既先把通过爆炸成形法得到两种金属复合板,再经热轧、冷轧成复合带,然后在焊管机组上进行连续辊式成型、焊接以得到复合金属管;另一种方法是直接法,其方法是先把基管和覆管组装成复合管坯,管内炸药爆炸的冲击波使内管发生塑性变形紧贴在外管上。但是采用该法比较危险,需要专用的场地,技术要求高,对精确计算炸药量需要有相当的经验。3.2复合挤压法复合挤压法,又称热挤压法,其原理如图4所示。它是将两种或两种以上的金属组成的大直径复合管坯料加热到1200℃左右,然后通过由模具和心轴组成的环状空间进行挤压。当挤压坯料截面缩减到10∶1时,极高的挤压压力和温度会在界面处产生“压力锻”的焊接效应,促进界面间的快速扩散和充分结合,成品为冶金结合的复合挤压管。复合挤压法特别适合于热加工性能差、塑性低的高合金金属的加工复合。但是由于结合状态取决于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散,而界面间氧化膜的存在会影响结合的效果;另外由于热挤压时变形抗力小,每次的变形程度大,复合管表面粗糙度较高。目前,该法仅限于碳钢、不锈钢和高镍合金钢管材的复合。4热复合塑性成形技术塑性冷复合制备而成的复合管界面均为机械结合,通常都是由基层材料或基、覆层材料产生局部、少量的塑性变形来实现复合的,界面非扩散冶金结合,结合强度比较低。因而所制备的金属复合管只能适用于常温条件,在高温条件下会有分层倾向。但塑性冷复合技术工艺比较简单,对设备的要求也比较低,容易实现。所以当金属复合管的应用环境比较好,对界面结合强度要求比较低的情况下,界面为机械结合的冷复合塑性成形制造技术具有很好的应用价值。塑性热复合技术制备而成的复合管界面可达冶金结合,该类复合管结合强度高,适合于高温等场合的使用,热复合塑性成形技术具有很好的开发前景。但是目前在高温条件下,存在着金属具有不同的变形抗力等技术难题,因此热复合成形技术难度较大。由机械结合和冶金结合特点,比较塑