本發(fā)明涉及管件加工技術領域，具體地，涉及一種雙層復合管及其制備方法。

背景技術：

管道作為常見的氣體、液體、粉末等介質的流體輸送裝置，被廣泛地應用于航空航天、交通運輸、汽車、城市燃氣、給水和供熱系統以及冶金、石油、化工、電力等各個領域。隨著國民經濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，工業(yè)建設和住宅建設的日益擴大，對輸送管道的性能要求也在不斷提高，在保證剛度的基礎上，還要有良好的耐腐蝕性能以及耐高溫性能等。

雙金屬復合管是由兩種不同的金屬管材構成，內外兩種管材之間通過各種變形和連接技術形成緊密結合，受外力作用時，內外管材同時變形且界面不分離。雙金屬復合管的一般設計原則是基材滿足零部件的設計應力，內管滿足耐腐蝕或耐磨損等性能要求。與單一金屬管相比，雙金屬復合管綜合了組分金屬材料的物理、化學和力學特性，能充分利用外管和內管的特性，不僅具有所要求的高強度，而且還具有優(yōu)良的防腐蝕、耐磨損等性能，并且節(jié)約了稀有和貴重金屬的使用，降低了生產成本。因此，雙金屬復合管可被廣泛應用于石油、化工、核工業(yè)、醫(yī)療、食品、建筑、消防等領域的輸送用管、換熱器用管及器械用管等。

雙金屬復合管中內管主要實現防腐功能，外管提高剛度和強度，相比單純的鋁合金管材構件成本降低、剛度強度提高；相比單純的鋼管提高防腐性能，比剛度提高而實現輕量化。

若內管選擇高強度鋁合金擠壓管材，高強鋁合金擠壓管材成形性能較差，5系、6系和7系的鋁合金擠壓管材延伸率最大不超過10％，有的甚至低于5％，即使采用退火或是固溶處理其延伸率提高一般也不超過20％。因此，采用高強鋁合金擠壓管材成形復雜形狀管狀構件幾乎是不能實現的。同時，高強鋁合金管狀構件一般具有防腐或減重的使用特征，還對強度、剛度、表面硬度和抗疲勞等機械性能具有較高要求。

現有的雙層金屬管加工采用液壓膨脹法，液壓脹形工藝中管端密封一般采用機械壓緊密封，即雙層金屬管的兩端被壓緊變形實現密封，這樣的密封方式使內外層金屬管坯在脹形時兩端的材料不能向成形區(qū)域流動形成補料的作用，因此，采用此種方式液壓成形的管件成形區(qū)減薄嚴重，甚至產生破裂。

因此，迫切需要一種制作工藝加工雙層金屬管，充分利用內管和外管的優(yōu)勢、簡化加工工藝。

技術實現要素：

解決上述問題所采用的技術方案是一種雙層復合管及其制備方法。

本發(fā)明提供的一種雙層復合管的成形方法，其特征在于，包括以下步驟：

裝配：將中空鋁合金管坯設置于中空碳鋼管坯內部，形成雙層復合管坯；

成形：將所述雙層復合管坯置于擠壓空間中，所述的擠壓空間能與所述雙層復合管坯相匹配，并具有形成目標形狀的型腔；

在所述雙層復合管坯的中空鋁合金管坯中填充介質顆粒；

從所述雙層復合管坯兩端的軸向方向對所述介質顆粒施加壓力；

所述雙層復合管坯發(fā)生形變填充所述的型腔，形成雙層復合管。

優(yōu)選的，所述的中空碳鋼管坯是通過卷焊得到的。

優(yōu)選的，所述的型腔為凸環(huán)、四面體或六面體。

優(yōu)選的，所述的中空碳鋼管坯的材料選自Q235或304不銹鋼板。

優(yōu)選的，所述的中空鋁合金管坯的材料選自AA6061或AA5052。

優(yōu)選的，所述的擠壓空間是由管件模具和介質壓頭圍成的封閉空間組成；

其中，管件模具至少為兩個，并由驅動機構進行驅動作相對運動；

所述介質壓頭包括第一壓頭和第二壓頭，用于對所述介質顆粒施加壓力。

優(yōu)選的，在裝配步驟之前還包括對所述中空鋁合金管進行熱處理的步驟；

所述的熱處理方法包括：退火處理或固溶處理。

優(yōu)選的，在成形步驟之后還包括對所述雙層復合管進行時效處理的步驟。

本發(fā)明的目的還在于提供一種雙層復合管，所述雙層復合管是采用上述的雙層復合管的成形方法制備的。

本發(fā)明具有下述優(yōu)勢：

1)由于5系、6系和7系(所謂的5系、6系、7系是指鋁合金擠壓管材標號AA后分別以5、6、7開頭)等高強鋁合金材料的延伸性較差，特別是擠壓管材；同時焊接性能也較差，難以制備板材卷焊管，這些都是限制高強鋁合金管材難以在實際生產中廣泛應用的主要原因。若是將其外覆薄壁碳鋼管得到復合管坯，內襯高強鋁合金管坯在介質顆粒的內壓和碳鋼管外包覆的雙重作用下，能夠有效的提高其成形性能。成形性能提高的機理在于，厚向壓力大幅提高使得成形極限提高；同時增強兩管之間的摩擦作用，從而抑制內襯管坯變形減薄，這不同于一般的脹形變形過程的應力應變狀態(tài)。

(2)雙層復合管坯的制備簡單。內襯管可選用擠壓高強鋁合金管材，中空碳鋼管坯根據擠壓管材外徑卷焊得到。由于介質顆粒脹形工藝對雙層復合管坯的圓度和尺寸公差要求較低，特別是對內襯和中空碳鋼管坯配合尺寸要求低，這使得該工藝的管坯制備非常便捷和廉價；

(3)高強鋁合金管狀構件一般具有防腐、減重和吸能等應用特征，同時對強度、剛度、表面硬度和抗疲勞等機械性能具有較高要求，若采用中空碳鋼管坯與內襯高強鋁合金擠壓管相結合，并且通過調整雙金屬材料的材質和厚度能夠更大程度的適應使用需求，實現最優(yōu)的材料利用效率，可進一步拓展管狀構件的應用領域。

(4)采用介質顆粒脹形工藝制備該類型復合管件，成形工藝對模具和加載設備要求較低，可在通用壓機上實現工藝步驟，無需增加外部裝置，工藝實現簡便，無需增加更多的投資。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施例1中雙層復合管裝配流程圖。

圖2為本發(fā)明的實施例1中雙層復合管成形模具的開模剖視圖。

圖3為本發(fā)明的實施例1中雙層復合管成形模具的合模剖視圖。

圖4為本發(fā)明的實施例1中雙層復合管成形模具的擠壓成形剖視圖。

圖5為本發(fā)明的實施例2中制備的雙層復合管照片。

圖6為本發(fā)明的實施例3中制備的雙層復合管照片。

附圖標記：1.中空碳鋼管坯；2.中空鋁合金管坯；3.雙層復合管坯；4.焊口；5.介質顆粒；6.介質壓頭；61.第一壓頭；62.第二壓頭；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.擠壓空間；11.導桿；12.導桿螺母；13.型腔；14.雙層復合管。

具體實施方式

為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例1

如圖1-4所示，本實施例提供一種雙層復合管的成形方法，包括以下步驟：

裝配：將中空鋁合金管坯2設置于中空碳鋼管坯1內部，形成雙層復合管坯3；

具體地，如圖1所示，中空碳鋼管坯1的焊口4需要清理打平，內徑按照中空鋁合金管坯2的外徑基本尺寸采用基軸間隙配合B11級設計，并采用同樣精度等級控制焊接中空碳鋼管坯1的圓柱度。然后，將兩個不同材質的中空碳鋼管坯1和中空鋁合金管坯2進行裝配，得到雙層復合管坯3。

優(yōu)選的，所述的中空碳鋼管坯1是通過卷焊得到的。

成形：將所述雙層復合管坯3置于擠壓空間10中，所述的擠壓空間10能與所述雙層復合管坯3相匹配，并具有形成目標形狀的型腔13；

在所述雙層復合管坯3的中空鋁合金管坯2中填充介質顆粒5；

從所述雙層復合管坯3兩端的軸向方向對所述介質顆粒5施加壓力；

所述雙層復合管坯3發(fā)生形變填充所述的型腔13，形成雙層復合管14。

具體地，如圖2所示，模具裝置處于開啟狀態(tài)，介質壓頭6包括第一壓頭61和第二壓頭62，其中，第一壓頭61上處于上限位置，第二介質壓頭62處于下限位置，均通過液壓設備直接驅動；

管件模具7包括第一管件模具71和第二管件模具72，處于開模狀態(tài)，分別通過兩側的合模油缸9直接驅動，并安裝在導桿11上實現滑動導向，導桿11通過導桿螺母12固定在模架8上。上述的第一介質壓頭61、第二介質壓頭62、第一管件模具71和第二管件模具72在開模狀態(tài)能保證雙層復合管坯3順利裝入。

如圖3所示，裝入雙層復合管坯3、第二介質壓頭62、第一管件模具71、第二管件模具72分別運動至合模位置，然后裝入介質顆粒5后；第一介質壓頭61也運動至合模位置。

上述的第一介質壓頭61、第二介質壓頭62、第一管件模具71和第二管件模具72在合模后形成擠壓空間10，所述的擠壓空間10，能夠與雙層復合管坯3相配合，并且具有形成目標形狀的型腔13。

所述的型腔13為凸環(huán)、四面體或六面體?？梢岳斫獾氖?，型腔13的形狀可以根據具體需要來設計。

如圖4所示，第一管件模具71和第二管件模具72分別在合模油缸90的壓力保持下確保合模狀態(tài)，此時第一介質壓頭61、第二介質壓頭62同時在液壓設備的驅動下進行加載，介質顆粒5承載后迫使雙層復合管坯3變形貼模，得到雙層復合管14。成形后第一介質壓頭61、第二介質壓頭62首先移動至初始位置，而后第一管件模具71和第二管件模具72移動至初始位置，取出雙層復合管14，完成成形過程。

上述方法利用中空碳鋼管坯與中空鋁合金管坯耦合變形時的包覆壓力作用，以及兩管坯之間的摩擦保持效果，極大的提高了鋁合金管材的成形性能，能夠成形常規(guī)方法得不到的復雜管狀構件。

并且，通過調整中空碳鋼管坯和中空鋁合金管坯的材質和厚度，充分發(fā)揮鋁合金比強度高、耐腐蝕性強的優(yōu)點，發(fā)揮鋼材硬度高、強度高、焊接性能優(yōu)良的優(yōu)點，可以適應不同使用條件的剛度和強度要求，能夠實現構件輕量化的目標。

同時，由于中空鋁合金管坯的焊接性能較差，可選用擠壓管材；而鋼板的焊接性能較好，中空碳鋼管坯可根據鋁合金擠壓管外徑尺寸進行焊接，中空碳鋼管坯和中空鋁合金管坯在裝配中兩管坯之間必然存在一定的間隙，但是通過介質顆粒內高壓脹形使得兩管坯共同耦合變形并緊密貼合，保證了復合管件的整體性。

介質顆粒脹形工藝相比其它內高壓成形工藝，復合管坯兩端不需要壓緊密封來形成脹形內高壓，因此介質顆粒脹形過程中雙層復合管坯兩端是可以自由收縮的，這是提高成形管件壁厚均勻性的關鍵所在。同時，由于雙層復合管坯的兩種材質的材料性能差異，成形中內外管坯的收縮量必然存在差異，自由的管端邊界條件更加有利于復合管件的成形。

采用雙層復合管坯進行介質顆粒內高壓脹形，具有下述優(yōu)勢：

①在介質顆粒內壓脹形過程中，介質顆粒始終包覆于中空鋁合金管坯內表面，迫使內外雙金屬管坯共同耦合變形，中空碳鋼管坯變形反作用于中空鋁合金管坯的表面法向壓力可使內層中空鋁合金管坯的成形性能顯著提高；同時，管壁正壓力的提高，增強了兩管壁接觸之間的摩擦作用，該摩擦能夠抑制中空鋁合金管坯成形中的減薄，即所謂的摩擦保持效果增強，也是提高成形極限的重要因素之一；

②根據產品需求選擇內外金屬的材質，更可以設計內外層金屬的厚度比來調節(jié)產品的剛度和強度需求，實現最優(yōu)的材料利用效率。由于介質顆粒脹形工藝采用固體顆粒傳壓，形成工藝需求的管坯高內壓環(huán)境無需特殊的密封裝置，因此對管件圓度、尺寸公差等要求很低，這一工藝優(yōu)勢使得雙層復合管坯制備可采用中空碳鋼管坯與中空鋁合金管坯進行大間隙裝配，降低了雙層復合管制備的條件，從而降低了制造成本。

下面對具體成形過程中兩管坯受力情況進行分析：

假設：中空鋁合金管坯內、外半徑分別為a和b；外管內、外半徑分別為c和d；管壁厚度為t。復合前c>b，即中空鋁合金管坯和中空碳鋼管坯之間存在間隙。根據彈塑性力學理論，在脹形復合過程中，中空鋁合金管坯逐漸膨脹，并與中空碳鋼管坯逐漸結合。在平面應力條件下，以理想彈塑性為材料模型，在中空鋁合金管坯發(fā)生塑性變形并與中空碳鋼管坯剛剛接觸，但尚未產生接觸壓力時，中空鋁合金管坯受到的內壓，中空鋁合金管坯進一步膨脹后，就會與中空碳鋼管坯之間產生接觸壓力。當接觸壓力達到某一極限值時，中空碳鋼管坯表面剛好屈服，同時中空鋁合金管坯受到的內壓也達到其極限值。在加載過程中，中空鋁合金管坯與中空碳鋼管坯相接觸并產生接觸壓力后，中空碳鋼管坯僅受均勻內壓(接觸壓力)的作用，由此可計算出管內任意位置處的受力狀況和徑向位移以及中空碳鋼管坯內壁的位移量。在卸載階段，中空鋁合金管坯不再受到壓力的作用，會自然的發(fā)生塑性卸載收縮，即中空鋁合金管坯的外緣圓周會產生徑向位移。中空碳鋼管坯內壁處的位移量與中空鋁合金管坯卸載時的自然收縮量之差，就是中空鋁合金管坯和中空碳鋼管坯在“共同”卸載過程中的過盈量，當外管內壁處的位移量不小于中空鋁合金管坯自然收縮量時，卸載時接觸面處存在殘余壓力。

實施例2

本實施例采用如實施例1中所述的方法，中空碳鋼管坯1采用Q235板材焊接鋼管，中空鋁合金管坯2采用AA5052擠壓管材，通過上述的步驟，成形凸環(huán)管件，具體見圖5。

另外，在AA5052管材進行成形前，還可以對其進行的熱處理，具體是退火處理，目的是提高延伸率，AA5052的強化可以通過應變強化，也就是脹形的程度越大，強化效果會更好。本實施例中AA5052的主要作用是防腐、吸能和減重，而構件的剛度和強度主要通過Q235板材焊接鋼管實現。

實施例3

本實施例采用如實施例1中所述的方法，中空碳鋼管坯1采用304不銹鋼板卷焊管，中空鋁合金管坯2采用AA6061擠壓管材，通過上述的步驟，成形六面體管件，具體見圖6。

另外，在AA6061管材進行成形前，可以進行熱處理強化材料，應當理解的是，對于針對6系、7系鋁合金擠壓管材的熱處理選擇固溶處理。

固溶處理后馬上與304不銹鋼板卷焊管裝配并且脹形成目標形狀，然后進行人工時效恢復鋁合金管材強度。AA6061管件的人工時效條件對304不銹鋼的材料性能不會帶來影響，這也是它們能復合使用的重要原因，因為成形后必然共同進入人工時效環(huán)節(jié)。這樣管材構件的剛度和強度作用就由二者共同承擔了，同時內襯鋁合金材料仍然具有抗腐蝕、吸能和減重的重要作用。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。