一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法

摘要

一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法。本发明涉及双金属复合管加工方法，尤其涉及一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法。本发明的目的是要解决现有磁脉冲成形双金属复合管的方法无法成形大直径管坯的复合的问题。方法：一、待复合管坯的表面净化处理；二、待复合管坯的定位与装夹；三、复合子步一加工；四、后续复合子步加工；五、双金属复合管的加工。本发明的成形方法是利用薄壁管的扩径胀形方式实现内外管的机械结合，制造工艺简单，与同类产品相比复合强度可达0.5MPa～13MPa，均高于与同类产品的复合强度(约0.2MPa)。本发明的成形方法适用于内衬型双金属复合管的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及双金属复合管加工方法，尤其涉及一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加 工方法。

背景技术

复合管又称双金属管，也叫做包覆管，它是由两种不同材质的金属管材组成，管层间 通过一定的变形或连接技术实现紧密结合而形成一体的层状复合材料。与单一金属管相 比，双金属复合管发挥了两种金属的优点，其不仅具有所要求的高强度，同时还具有良好 的防腐蚀、耐磨损等优良性能，从而达到“物尽其用”的目的。

近几年，国内外在给水管线、油田、气田的输送管线及化工企业的输送管线等尤其是 输送腐蚀性介质用的管线上，大量推广使用内衬双金属复合管材。内衬双金属复合管通过 适当的复合加工技术将较薄壁厚的耐腐蚀合金材料(如不锈钢、铝合金等)与具有较高机 械强度的碳钢基管复合为一体，既保证了管材内壁耐腐蚀的要求，又极大的减少了耐腐蚀 合金材料的用量，能满足不同工况条件的要求，延长了管件的使用寿命，因而具有良好的 综合经济效益，有很强的市场竞争力。

根据内衬双金属复合管界面结合状态不同，国内外加工制造内衬双金属复合管大致可 以分为以下两大类：一类为冶金复合，包括了离心铸造、焊接熔覆、多坯料挤压及爆炸复 合；另一类为机械复合，如旋压、机械拉拔、液力胀接等。冶金复合工艺需采用专用设备， 工序复杂，对复合质量的控制要求高。如果没有特殊的工况要求(比如高温环境)，采用 机械结合的内衬双金属复合即可满足使用要求。机械结合型内衬双金属复合管的层间复合 强度大小是判断内衬双金属复合管性能的一项重要技术指标。由于内衬耐腐蚀合金管与基 管的接触面始终存在残余接触应力的作用，因而可以提高内衬双金属复合管整体的机械性 能。然而，目前使用的机械复合方法制备内衬双金属复合管达到的层间复合强度普遍较低。 此外，采用机械拉拔、旋压等方式进行复合管加工时，由于是机械接触，成形工具不可避 免的会对管材表面产生一定程度的损伤，所制备的复合管不能满足一些行业对内衬双金属 复合管的性能、精度的要求；而采用液力加载方式加工内衬双金属复合管时，则存在对设 备密封要求高，生产效率低等问题。现有的制造内衬双金属复合管的不足，在一定程度上 限制了内衬双金属复合管在工业中的推广与应用，因而迫切需要开发新型复合加工技术。

电磁成形是上个世纪60年代兴起的一种金属塑性加工技术，因其具有工件变形速率 快、效率高、复合质量良好等优势，被应用于管件(或板材)的连接与装配，已成为一种 潜力巨大的异种金属复合和焊接方法。但电磁成形设备的能量利用率较低，目前还远不能 满足大型结构件的需要，因此，电磁连接技术目前只在异种金属管件接头连接方面获得应 用。

现有申请号为201210239093.4、发明名称为《双金属复合管的磁脉冲成形装置及方 法》，它公开了一种利用磁脉冲成形双金属复合管的方法，并具体公开了通过集磁器的磁 力线圈对待复合的内外管坯进行成形，该方法利用了薄壁外管的缩径塑性变形达到了外包 覆型双金属复合管的磁脉冲成形制备，然而，该方法受限于外管发生缩径变形的基本原理 及集磁器的几何结构，它只适用于外包覆型双金属管的制备，无法成形内衬型双金属复合 管。

发明内容

本发明的目的是要解决现有磁脉冲成形双金属复合管的方法无法成形大直径管坯的 复合的问题，而提供一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法。

本发明的一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法按以下步骤进行：

一、待复合管坯的表面净化处理：用丙酮对待复合外管的内表面以及待复合内衬管的 外表面进行清理，以清除待复合外管内表面以及待复合内衬管外表面的污染物，得到清理 后的待复合外管和清理后的待复合内衬管；

二、待复合管坯的定位与装夹：先用酒精擦拭步骤一得到的清理后的待复合外管的内 表面和清理后的待复合内衬管的外表面，然后将待复合外管和待复合内衬管同心放置，用 绝缘材料套管填充待复合外管和待复合内衬管两端的管壁间隙以确保待复合外管和待复 合内衬管同轴，得到定位后的待复合管坯，然后将成形线圈插入定位后的待复合管坯，再 将成形线圈固定于工作台，完成待复合管坯的定位与装夹；

三、复合子步一加工：设置放电电压为9.5kV～12kV，通过成形线圈实现待复合管坯 的第一步复合成形加工，得到第一步复合成形加工后的待复合管坯；

四、后续复合子步加工：保持成形线圈在工作台的位置不变，将步骤三得到的第一步 复合成形加工后的待复合管坯按渐进式进给的方式沿成形线圈轴向相对成形线圈做移动， 进给量为成形线圈工作区间有效长度的50％，使待复合管坯未变形区进入成形线圈的工 作区间，设置放电电压为9.5kV～12kV，实施后续复合子步加工；

五、双金属复合管的加工：重复步骤四的操作，直至获得所需长度的双金属复合管。

本发明的有益效果

工作原理：电磁成形机通过工作线圈释放振荡而衰减的脉冲电流，电流在线圈周围激 发脉冲强磁场进而使管坯表面产生感应电流，根据楞次定律可知，磁力线被约束在管坯与 线圈之间的间隙内。由于磁力线具有扩张的特性，管坯内壁受到幅值巨大的磁场力(见图 1)，该磁场力驱动内管发生塑性变形并高速运动，内管在管间隙中一直被加速直至与外管 发生碰撞，并与外管紧密结合在一起，从而实现管层间的复合，本发明的成形方法是利用 薄壁管的扩径胀形方式实现内外管的机械结合，本发明的成形方法适用于内衬型双金属复 合管的制备。

与现有的其他工艺相比，本发明提出的磁脉冲成形加工技术所达到的有益效果有：

1、是一种绿色制造技术，加工过程无生态污染；

2、制造工艺简单，加工能量易于精确控制、加工效率高、可操作性强；

3、脉冲力无需通过传力介质施加于管坯，降低了成形过程的摩擦效应，对内衬合金 管材不会造成耐腐蚀层性能的破坏和影响；

4、与同类产品相比复合强度可达0.5MPa～13MPa，均高于与同类产品的复合强度(约 0.2MPa)。性能更稳定可靠，根据使用性能的要求，在产品标准的范围内可对复合强度的大 小作适当的调整，满足客户的不同需求。

附图说明

图1为本发明的一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法初始受力原理图；其中 1为内衬管，2为成形线圈，3为外管，4为电磁力，5为电磁成形机；

图2为本发明的一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法加过过程原理图；其中 1为内衬管，2为成形线圈，3为外管，4为电磁力，5为电磁成形机，6为待复合管坯送 进方向。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法按以下 步骤进行：

一、待复合管坯的表面净化处理：用丙酮对待复合外管的内表面以及待复合内衬管的 外表面进行清理，以清除待复合外管内表面以及待复合内衬管外表面的污染物，得到清理 后的待复合外管和清理后的待复合内衬管；

二、待复合管坯的定位与装夹：先用酒精擦拭步骤一得到的清理后的待复合外管的内 表面和清理后的待复合内衬管的外表面，然后将待复合外管和待复合内衬管同心放置，用 绝缘材料套管填充待复合外管和待复合内衬管两端的管壁间隙以确保待复合外管和待复 合内衬管同轴，得到定位后的待复合管坯，然后将成形线圈插入定位后的待复合管坯，再 将成形线圈固定于工作台，完成待复合管坯的定位与装夹；

三、复合子步一加工：设置放电电压为9.5kV～12kV，通过成形线圈实现待复合管坯 的第一步复合成形加工，得到第一步复合成形加工后的待复合管坯；

四、后续复合子步加工：保持成形线圈在工作台的位置不变，将步骤三得到的第一步 复合成形加工后的待复合管坯按渐进式进给的方式沿成形线圈轴向相对成形线圈做移动， 进给量为成形线圈工作区间有效长度的50％，使待复合管坯未变形区进入成形线圈的工 作区间，设置放电电压为9.5kV～12kV，实施后续复合子步加工；

五、双金属复合管的加工：重复步骤四的操作，直至获得所需长度的双金属复合管。

工作原理：电磁成形机通过工作线圈释放振荡而衰减的脉冲电流，电流在线圈周围激 发脉冲强磁场进而使管坯表面产生感应电流，根据楞次定律可知，磁力线被约束在管坯与 线圈之间的间隙内。由于磁力线具有扩张的特性，管坯内壁受到幅值巨大的磁场力(见图 1)，该磁场力驱动内管发生塑性变形并高速运动，内管在管间隙中一直被加速直至与外管 发生碰撞，并与外管紧密结合在一起，从而实现管层间的复合，本发明的成形方法是利用 薄壁管的扩径胀形方式实现内外管的机械结合，本发明的成形方法适用于内衬型双金属复 合管的制备。

与现有的其他工艺相比，本实施方式提出的磁脉冲成形加工技术所达到的有益效果 有：

1、是一种绿色制造技术，加工过程无生态污染；

2、制造工艺简单，加工能量易于精确控制、加工效率高、可操作性强；

3、脉冲力无需通过传力介质施加于管坯，降低了成形过程的摩擦效应，对内衬合金 管材不会造成耐腐蚀层性能的破坏和影响；

4、与同类产品相比复合强度可达0.5MPa～13MPa，均高于与同类产品的复合强度(约 0.2MPa)。性能更稳定可靠，根据使用性能的要求，在产品标准的范围内可对复合强度的 大小作适当的调整，满足客户的不同需求。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的待复合外 管为碳钢管。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的待复 合内衬管为铝管。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的 丙酮纯度为99.9％。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的 绝缘材料套管为尼龙套管。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的 成形线圈由矩形截面铜导线绕制。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的 成形线圈上铜导线共绕制10～30匝。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的 成形线圈上铜导线共绕制23匝。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述的 设置放电电压为10kV。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中所述的 设置放电电压为10kV。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

用以下试验来验证本发明的有益效果

试验一、一种内衬双金属复合管的磁脉冲成形加工方法按以下步骤进行：

一、待复合管坯的表面净化处理：用丙酮对待复合外管的内表面以及待复合内衬管的 外表面进行清理，以清除待复合外管内表面以及待复合内衬管外表面的污染物，得到清理 后的待复合外管和清理后的待复合内衬管；

二、待复合管坯的定位与装夹：先用酒精擦拭步骤一得到的清理后的待复合外管的内 表面和清理后的待复合内衬管的外表面，然后将待复合外管和待复合内衬管同心放置，用 尼龙套管填充待复合外管和待复合内衬管两端的管壁间隙以确保待复合外管和待复合内 衬管同轴，得到定位后的待复合管坯，然后将成形线圈插入定位后的待复合管坯，再将成 形线圈固定于工作台，完成待复合管坯的定位与装夹；

三、复合子步一加工：设置放电电压为10kV，通过成形线圈实现待复合管坯的第一 步复合成形加工，得到第一步复合成形加工后的待复合管坯；

四、后续复合子步加工：保持成形线圈在工作台的位置不变，将步骤三得到的第一步 复合成形加工后的待复合管坯按渐进式进给的方式沿成形线圈轴向相对成形线圈做移动， 进给量为成形线圈工作区间有效长度的50％，使待复合管坯未变形区进入成形线圈的工 作区间，设置放电电压为10kV，实施后续复合子步加工；

五、双金属复合管的加工：重复步骤四的操作，直至获得所需长度的双金属复合管。

步骤一中所述的待复合外管为20#钢，结构尺寸为50mm(外径)×1mm(壁厚) ×300mm(长度)。

步骤一中所述的待复合内衬管为3A21铝合金管，结构尺寸为60mm(外径) ×3.5mm(壁厚)×300mm(长度)。

步骤一中所述的丙酮纯度为99.9％。

步骤二中所述的成形线圈由3mm×5mm的矩形截面铜导线绕制。

步骤二中所述的成形线圈上铜导线共绕制23匝。

步骤二中所述的成形线圈工作区间的有效长度为115mm。

步骤四中所述的进给量为57.5mm。