一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法

摘要

一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法，本发明属于金属材料塑性加工中的加热技术领域，涉及一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法。本发明是要解决现有方法难以在金属界面两侧形成较大的温度梯度，不能有效增大异种金属固态变形复合时的界面接触热阻的问题。本发明对内管和外管采用不同的热源进行差温加热，使内外管间具有较大的温度梯度，并在内管外表面或外管内表面加工螺旋型沟槽，减小了内外管界面传热时的实际接触面积，抑制内外管金属在界面处的热流交换。此方法在内外管金属间形了较大的温度梯度，实现了异种金属复合旋压时的差温控制。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工中的加热技术领域，涉及一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法。

背景技术

随着异种金属复合板/管/构件等在石油化工、海洋开发、核能利用、家用电器和国防工业中需求的日益增加，对异种金属复合种类和结合质量提出了更高的要求，为此对异种金属施加一定的温度、压力和变形量使其在界面处发生良好的机械和冶金复合是一种行之有效的方法，如异种金属的固态锻焊、挤压和旋压等固态热压加工方法均可实现此类加工。当异种金属旋压复合时，在相同温度下，由于不同金属的变形抗力不同，因此在相同受力条件下，不同金属产生的变形量不同，这引起了异种金属间变形的不协调，不利于二者之间的固相连接。通过对异种金属进行差温控制，使难变形金属具有较高温度从而降低其变形抗力，并使易变形金属具有较低温度，增大其变形抗力，从而改善异种金属间的变形协调性，有助于异种金属间的旋压复合。

当异种金属固相连接时，实际固体对固体的接触仅发生在一些离散点或微小面积上，其余的间隙部分是真空或填充介质(例如空气、水和油等)。由于间隙介质的导热系数与固体导热系数一般相差较大，因而引起接触面附近热流发生变化，形成接触换热的附加阻力，即界面接触热阻。在一般情况下，界面热阻的存在会增大热流途径上的温降。对于材料特性差异较大的异种金属复合管(如Steel/Al，Ti/Al，Mg/Al等)，利用其界面的接触热阻效应及接触热阻控制方法对界面两侧金属的温度分布进行梯度控制，可实现对复合管内各层金属变形流动的主动控制，从而改善异种金属复合成形的界面变形协调性，提高界面结合强度，因此增大异种金属固态变形复合时的界面接触热阻具有重要意义。

影响界面接触热阻的主要因素有：接触体材料、界面平均温度、界面压应力及接触面的表面粗糙度。然而，在异种金属旋压复合成形时，由于金属管材的导热性好，且管坯厚度一般较小，采用常规方法难以在金属界面两侧形成较大的温度梯度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有方法难以在金属界面两侧形成较大的温度梯度，不能有效增大异种金属固态变形复合时的界面接触热阻的问题，而提供一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法。

本发明一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法具体是按以下步骤进行：

一、在异种金属内管的外表面或异种金属外管的内表面加工螺旋形沟槽；对异种金属内管的外表面和异种金属外管的内表面依次进行丙酮除脂和钢刷刮擦处理，然后将异种金属内管和异种金属外管套叠在一起，异种金属内管和异种金属外管的接触面为界面；

二、异种金属内管的内部设置芯轴，所述芯轴采用旋转加热装置，所述芯轴作为内管热源；所述异种金属外管的外侧设置旋轮，所述旋轮采用火焰喷枪加热，所述旋轮作为外管热源；

三、对旋轮采用火焰喷枪加热至设定温度，利用红外线热成像仪对旋轮进行温度监控和采集，当旋轮的温度加热至设定温度后，在设定温度保温5min，停止加热，然后在芯轴转速为100rpm的条件下进行旋压成形，完成异种金属复合旋压。

本发明的有益效果：

本发明通过对旋压成形时内部芯轴与外部旋轮分别进行加热，通过旋转电加热装置可实现芯轴的精确加热与控温，所述芯轴与所述旋轮作为界面接触热阻常规测量装置的高低温热源，内外管材作为界面接触热阻常规测量装置的传热接触体，异种金属复合旋压过程中的旋压力引起的内外管界面间作用力作为接触体界面间压力，实现内外管金属与不同温度的热源接触，并在两层金属间形成沿厚度方向从高温芯轴到低温旋轮或从高温旋轮到低温芯轴的热流方向，同时在所述内管金属外表面或所述外管金属内表面加工螺旋型沟槽，减小了内外管界面接触面积，阻碍界面处的热传导，可有效的增大内外管间金属的温度梯度，实现内外层金属的差温控制，且不会对最终结合强度造成不利影响。

附图说明

图1为本发明的装配示意图；

图2为所述螺旋形沟槽示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法具体是按以下步骤进行：

一、在异种金属内管8的外表面或异种金属外管7的内表面加工螺旋形沟槽5；对异种金属内管8的外表面和异种金属外管7的内表面依次进行丙酮除脂和钢刷刮擦处理，然后将异种金属内管8和异种金属外管7套叠在一起，异种金属内管8和异种金属外管7的接触面为界面；

二、异种金属内管8的内部设置芯轴6，所述芯轴6采用旋转加热装置，所述芯轴6作为内管热源；所述异种金属外管7的外侧设置旋轮1，所述旋轮1采用火焰喷枪加热，所述旋轮1作为外管热源；

三、对旋轮1采用火焰喷枪加热至设定温度，利用红外线热成像仪对旋轮1进行温度监控和采集，当旋轮1的温度加热至设定温度后，在设定温度保温5min，停止加热，然后在芯轴6的转速为100rpm的条件下进行旋压成形，完成异种金属复合旋压。

所述的设定温度是根据实际需要进行设定的。

本实施方式中所述旋转加热装置为专利CN104624765A所述装置。

本实施方式所述芯轴6作为内管加热的高温热源或者低温热源，配有旋转加热装置，在靠近芯轴6表面处开有平行于轴向的小孔，所述小孔内置有热电偶进行温度检测，在复合管旋压成形过程中，在较大的局部大变形力作用下，芯轴与内管金属紧密接触，内管材料很薄，管材内部厚度方向上的温度梯度很小，所测芯轴表面温度可作为内管温度以及界面处内管的温度。

本实施方式中由于外管厚度较小，可以忽略其内部沿厚度方向较小的温度梯度，所测外管温度可作为外管温度以及界面处外管的温度。

本实施方式中所述的螺旋型沟槽5可以减小内外层金属管在界面处的接触面积，增大异种金属管材间的界面接触热阻，抑制热流在界面处从高温物体向低温物体的传导，从而拉大内外层异种金属管间的温度梯度

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述异种金属内管8的材质为5A03铝合金。其他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：步骤一中所述异种金属外管7的材质为3A21铝合金。其他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：步骤一中所述螺旋形沟槽5的沟槽深度为0.2mm～0.6mm，螺距为1mm～5mm。其他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：步骤一中所述螺旋形沟槽5的沟槽深度为0.3mm～0.4mm，螺距为2mm～3mm。其他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：步骤二中所述旋转加热装置包括热电偶线4、芯轴6、加热棒9、加热棒电源线10、四路集电环3和多通道温度采集仪2；芯轴6装在异种金属内管8中，异种金属内管8装在异种金属外管7中，所述芯轴6内部设置有盲孔，用于放置加热棒9，芯轴6的端头固定有四路集电环3，四路集电环3中的两路连接加热棒电源线10，四路集电环3中剩余的两路连接芯轴6引过来的两根热电偶线4，所述四路集电环3通过另外两根热电偶线4与多通道温度采集仪2连接。其他与具体实施方式一至五之一相同。

所述多通道温度采集仪2用于采集芯轴6的温度，所测温度为芯轴6表面温度，在旋压成形过程中，内管较薄，其厚度方向上的温度梯度较小可忽略，看作是等温体，内管与芯轴紧密接触，芯轴内热电偶所测芯轴表面温度可作为内管的温度。

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：步骤三中所述旋压成形是先将旋轮1沿径向切入到35％的减薄率，然后再沿轴向以进给比为0.3mm/rev速率正旋进给。其他与具体实施方式一至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种基于界面热阻的异种金属复合旋压差温控制方法具体是按以下步骤进行：

一、在异种金属内管8的外表面或异种金属外管7的内表面加工螺旋形沟槽5；对异种金属内管8的外表面和异种金属外管7的内表面依次进行丙酮除脂和钢刷刮擦处理，然后将异种金属内管8和异种金属外管7套叠在一起，并采用螺丝钉将其一端固定在芯轴6上，异种金属内管8和异种金属外管7的接触面为界面；

二、异种金属内管8的内部设置芯轴6，所述芯轴6采用旋转加热装置，所述芯轴6作为内管热源；所述异种金属外管7的外侧设置旋轮1，所述旋轮1采用火焰喷枪加热，所述旋轮1作为外管热源；

三、对旋轮1采用火焰喷枪加热至设定温度，利用红外线热成像仪对旋轮1进行温度监控和采集，当旋轮1的温度加热至设定温度后，在设定温度保温5min，停止加热，然后在芯轴6的转速为100rpm的条件下进行旋压成形，完成异种金属复合旋压；

所述芯轴6的直径为Φ60mm，长为700mm；其内部有Φ28mm，长380的盲孔，用于放置直径Φ28mm，长300mm的加热棒，加热棒规格为220V、2000W；

所述异种金属内管8的材质为5A03铝合金；其内径为Φ60mm，厚度为2mm；

所述异种金属外管7的材质为3A21铝合金；其内径为Φ64mm，厚度为2mm；

所述旋轮1的设定温度为常温或200℃；所述所述芯轴6的设定温度为200℃；

所述螺旋形沟槽5的沟槽深度为0.3mm～0.4mm，螺距为2mm～3mm；

所述旋压成形是先将旋轮1沿径向切入到35％的减薄率，然后再沿轴向以进给比为0.3mm/rev速率正旋进给。

本实施例通过控制旋轮1和芯轴6间的温度梯度，可以使内外管间形成80℃左右的温度梯度，与高温芯轴与高温旋轮相比，异种金属旋压复合的变形协调性得到明显改善。当在内管外表面加工螺旋型沟槽后，温度梯度进一步增加，最大温差可达到115℃。沟槽的尺寸及间距对最终成形质量有着重要影响，当沟槽浅且相隔紧密时，在旋压过程中非沟槽部分的突起部分容易压塌，在两管间更容易成形机械的咬合，但不利于固相复合的产生，并且沟槽极大的增大了界面两侧金属相互滑动时的摩擦阻力，容易引起旋轮前方未旋压部分金属管材的扭曲变形；当沟槽深且相隔较远时，虽然界面两侧异种金属管材变形协调性增加，但有部分金属进行了沟槽的填充，内管外表面的表面积增加，降低了新鲜金属的面积分数，同样不利于内外层金属间的固相连接。因此本实施例把沟槽深度设计为0.3-0.4mm左右，且螺距设计为2～4mm左右时，可有效的增大内外管间金属的温度梯度，实现内外层金属的差温控制，且不会对最终结合强度造成不利影响。

本实施例中，因为内外层金属在相同的温度条件下，内外层金属变形抗力差异较小，但由于旋压变形时内外管所受应力状态的不同，外管的变形量要远大于内管，因此，使内管的温度比外管高，减小内管的变形抗力，有利于内外管旋压复合时的变形协调性。对于相同温度条件下，内管变形抗力远小于外管的情况，内管的变形较外管容易，同理，可以在旋轮1和芯轴6间形成负温度梯度，从而使内管温度低，外管温度高，调节界面两侧金属的变形协调性。