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双金属不锈钢复合管的生产工艺汇总
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双金属复合管的制造技术浅析
应机电工程技术年第38卷第03期双金属复合管的制造技术浅析张宝庆（浙江工业大学，浙江杭州310014)，并分析了各类成形技术的优缺点。；技术；浅析文献标识码：A文章编号：(06－03双金属复合管（以下简称复合管）是由两种不同的金属管材构成：一种管材在内，另一种管材在外，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（如图1）。双金属复合管的一般设计原则是基材满足设计应力，覆材满足耐腐蚀等性能要求。制约复合管应用和发展的主要因素是复合层质量和生产成本，而生产成本与材料成本和施工效率有关，一般应根据使用要求选择合适的覆层材料和生产方法。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。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，内管完全发生了塑性变形，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。如果在高温图1
不锈钢复合管条件下，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。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。1金属复合管的制造方法1．1塑性复合成形塑性复合成形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大部分都采用该技术。以内覆管（基材在外，覆材在内）为例，其塑性复合过程可以分为以下三个连续过程：1）冷成形法冷成形制造工艺的基本特征是在常温下，将预加工好的薄壁不锈钢管套入碳钢管中，然后通过机械方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上，采用拉拔、胀接、旋压和滚压等方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上，其中拉拔和胀接最为常用。1）内管变形阶段收稿日期：开始时内层管与外层管之间存在106机电工程技术年第38卷第03期拉拔是取两根分别制成的无缝钢管，将一根套在另一根外面，然后将两管通过一模具同时进行拉拔，从而实现紧配合的机械结合。这种管的优点是生产工艺比较简单，价格较便宜，缺点是界面非扩散结合，只是依靠对外层进行的冷加工来获得紧配合。因此冷加工复合管如果遭遇高温就有分层倾向，复合管会因应力释放而失效，这就限制了该冷加工管只能在较低温度的环境中使用。胀接分机械胀接和液压胀接两种：机械胀接是目前生产不锈钢复合管的一种主要方法，它是利用滚胀心轴回转挤压使复合管内管发生塑性变形，外管发生弹性变形，从而使复合管的外管对内管产生残余应力，以达到复合管内外壁的紧密贴合。液压胀接原理与机械胀接相同，只是用管内高压水施压代替滚胀心轴回转挤压。机械胀接时胀接力大小难以确定，易发生欠胀或过胀，且多次滚胀易造成衬里开裂。液压胀接时胀接力均匀且大小可进行计算，液压胀形生产的复合管内管壁表面无擦伤和破坏现象，也不出现加工更化现象，因此更具优越性，但液压胀形存在的一个技术难点是如何解决两端口液压的密封问题。两种胀接法的共同缺点是内外层只是机械结合，和拉拔成型一样，在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效。（3）电磁成形法电磁成形工艺属于高能加工范畴，它是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形。当高压直流电流对高压脉冲电容器充电，电压达到隔离开关的临界击穿电压时，隔离间隙被击穿，电容器将储存的全部能量加在线圈上，在几微秒内在线圈上通过很大的电流，瞬间产生强脉冲磁场。放置在线圈外的管材金属就会感应反方向电流，而产生的反向磁通阻止磁通穿过管材金属，迫使磁力线密集在线圈和管材金属的间隙内，密集的磁力线具有扩张的特性，使管材金属表面各部份受到巨大的冲击压力，在几微秒内就可与模具或另外一管材进行撞合，在结合界面处产生塑性流动，形成冶金结合。电磁成形法效率高、安全，可连接性质迥异的两种金属，但限于其特殊工艺，目前只适合用于加工强度低、导电性能好的材料，如铜、铝等。1．2几种非塑性成形制备技术以下几种制备技术采用铸造或者焊接的方法，且能使金属复合管的界面形成冶金结合。1）离心铸造和离心铝热剂法离心铸造是为适应海洋油气的生产而开发的，适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。离心铸造后，缓冷以避免由于热应力或相变引起的应力导致内衬开裂。离心铸造的优点是铸件结晶细密、铸造缺陷少，机械性能好，结合面牢固。缺点是铸出的内孔不准确，内表面质量较差，不过一般能满足普通管道的使用要求。离心铝热剂法，实质是在离心力场中引起铝热反应。可以利用它制备耐蚀耐磨涂层，也可以对安全性要求苛刻的工程组件进行快速焊接。管道复合时，先将金属铝粉和其它金属氧化物粉末混合均匀，浇入管内，然后将管子旋转，在离心力作用下，粉末如液体一样流动，在整个内表面形成一均匀涂层。点燃后，放热反应在几秒钟内就可达到焊接或堆敷的温度，反应产生的过热熔化金属温度很高，可达到2500℃～2960℃，与基底接触的涂层熔化，这些涂层与管基体接合形成冶金结合的堆敷层。2）热成形法（1）热轧和热挤压工艺前者主要适用于有缝复合管的生产，后者适用于无缝复合管的生产。轧制是一种传统的制备复合金属的方法，热轧复合实质上属于压力焊，如果变形量足够大，轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜，使表面达到原子接触，从而使两表面焊在一起，质量好、成本低，并可大量节省金属材料的损耗，因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。轧制结合经常应用于壁厚小的管材加工。轧制的缺点是一次性投资大，而且很多材料组合不能通过轧制复合实现。目前应用最广泛的还是利用轧制工艺进行碳钢、不锈钢有缝复合管的制造。热挤压（如图2）一般是针对双金属管坯进行的，称复合挤压，是目前生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的最好方法。复合挤压的优点是：界面为冶金结合；挤压过程中涉及的力完全是压应力，因此特别适合于热加工性不好，塑性低的高合金金属的加工。缺点是由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散，常会因氧化物膜的存在而受到影响，因此目前复合挤压限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合。（2）爆炸成形法爆炸成形是依靠炸药爆炸产生连接金属所需的压力，使两搭接表面实现固相焊接的方法。其过程是先把基管和覆管组装成紧密配合的复合管坯，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。爆炸成形法还可实现三种以上金属的复合。但是采用该法比较危险，对精确计算炸药量需要相应的经验和验证工作。2）消失模真空吸铸法这种工艺是用钢管作外套管，用聚苯乙烯泡沫塑料制图2热挤压法107应机电工程技术年第38卷第03期作内衬管的模型管。将制好的模型管放入外套管内，在该模型管内壁刷上耐火涂料并烘干，然后安装浇注系统，最后将它们埋入砂型，浇注耐磨材料，即制成外套管为钢管、内衬管为耐磨材质的双金属管。用该工艺即可制造双金属管，也可制造其它不同形状、不同管径及壁厚不相等的各种双金属管，如双金属弯管、双金属三通管、四通管及异形管等。备，工序复杂，技术要求高，生产成本高，所以在金属复合管的制造中远远不如塑性成形技术应用广泛，实践表明，一些典型的塑性成形技术如轧制、挤压、滚压等，在金属复合管的制造中具有很大的发展潜力和很好的发展前途。塑性成形技术的冷成形制得的复合管界面为机械结合，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。结合面局部有间隙，界面间容易产生腐蚀，因而结合强度较低，在使用中可能会出现界面分离等现象。而且机械结合的制造方法一般都是冷成型，界面非扩散结合，因而制备的金属复合管只能用于常温条件，在高温条件下会有分层倾向。但机械结合的制备工艺比较简单，对设备的要求也比较低，容易实现。故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，界面为机械结合的制造技术具有很好的应用价值。塑性成形技术热加工得到的金属复合管界面为冶金结合。制造时一般都在较高温度下进行，使基、覆层材料产生较大的塑性变形，金属越过金属结合界面进行了扩散，因此界面结合具有很高的结合强度，能用于高温环境。界面为冶金结合的金属复合管以优良的综合性能使其得到了越来越广泛的应用，社会需求量也越来超大，故界面为冶金结合的金属复合管将成为未来复合管研究和制造主流。另外在金属复合管的制造工艺中，所采用的塑性成形技术使结合面的塑性变形量愈大，愈容易形成高质量的冶金结合，从而制造出具有高界面结合强度和优良综合性能的金属复合管。所以未来的金属复合管制造中，将倾向于采用能产生大塑性变形量的塑性成形技术。3）中频感应加热钎焊法这种工艺为对基管和衬管表面进行清洁处理，在衬管外表面涂附钎料，把衬管与基管套装在一起后进行冷拔复合，使基管与衬管界面间获得一个适合于钎焊的毛细间隙，且使基管内表面与衬管外表面涂附的钎料紧密贴合，然后把冷拉拔复合后的复合管坯放在中频感应加热钎焊装置中进行钎焊，需要时可对焊后复合管进行后续热处理。这种技术克服了双金属复合管层间存在大量导致结合不牢固的间隙，在基管与衬管间形成一层钎焊，填满层间间隙，使二者形成100％的冶金结合。4）堆焊成型法堆焊是较早使用的制作复合金属的方法，它是用熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法，在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。堆焊包括硬质堆焊和金属喷涂，前者指利用熔化技术使金属表面熔敷上另外一层金属，后者则是将微细的金属颗粒沉积到金属表面。利用堆焊制备复合金属可以采用许多工艺方法，但各种熔焊方法在堆焊工作中占的比例最大，狭义上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。堆焊制造复合管，其主要缺点是：大面积堆敷时成本太高可生产的材料组合仅限于熔化焊下具有相容性的材料之间，例如，不能复合两种熔点相差太大的材料，也不能复合焊接时产生脆性金属间化合物的材料。堆焊常用于不锈钢与碳钢的复合。2结语总之，金属复合管作为一种新型材料，随着制造方法的不断创新和完善，其使用前景必将更加宽广。参考文献：［1］陈海云，曹志锡．双金属复合管塑性成形技术的应用及发展［J］．化工设备与管道，）：16－18．作者简介：张宝庆，男，1969年生，浙江上虞人，硕士研究生。研究领域：机电工程。1．3各种加工方法的比较塑性成形技术和非塑性成形技术在金属复合管的制造中都有应用。但是由于非塑性成形技术如铸造（离心技术法、消失模真空吸铸法）和焊接（中频感应加热钎焊法）都需要专用设（上接第43页）(编辑：王智圣)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!要接收上位机对下位机的参数设置数据，只有当修改时才需要接收数据，所以采用中断方式处理比较合适。个自带掩码消息目标的特殊设计，因此，用其进行上位机与下位机之间的相互数据传递设计将更为简单。参考文献：［1］铙运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术（第2版）［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007．［2］田奕，刘秀红．基于C的CAN总线通讯系统设计［J］．现代电子技术，2006（15）：29－30．［3］童长飞．C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2005．作者简介：黄泽霞，女，1977年生，浙江诸暨人，硕士研究生，讲师。研究领域：智能控制。已发表论文4篇。5结语Cygnal公司的单片机C是一种完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），它具有与8051指令集完全兼容的CIP－51内核代表了8位单片机的发展方向。它不仅集成有构成监控系统常用的外设，而且集成了逐渐成为控制领域首选的高可靠性、高性能CCAN总线；CAN总线以其稳定的特性、低廉的价格将会被更多用户所使用，而集成于微控制器内部的CAN控制器更是在设计过程中的首选。由于C可达到25MHz工作频率，因而可提高系统实时性。此外，由于BOTSCHCAN有32(编辑：吴智恒)108
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