谷 霞 秦建平 張文慈

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

雙金屬復(fù)合管又稱為雙層管或包覆管(以下簡稱復(fù)合管)是由兩種不同的金屬管構(gòu)成。管之間通過各種變形和連接技術(shù)緊密結(jié)合，受外力作用時(shí)，內(nèi)外管同時(shí)變形且界面不分離。一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基材滿足設(shè)計(jì)應(yīng)力，覆材能抵抗腐蝕或磨損［1］等。和單一金屬管相比，復(fù)合管充分利用基管和覆管的最佳性能，不僅具有高強(qiáng)度，而且還具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損等性能，可節(jié)省大量貴重金屬，降低生產(chǎn)成本，因而雙金屬復(fù)合管具有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 雙金屬復(fù)合管滾壓塑性工藝

雙金屬管復(fù)合管的生產(chǎn)屬于鋼材深加工領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)含量，同時(shí)也是一種勞動較密集的產(chǎn)業(yè)。由于具有多品種，小批量的特點(diǎn)，適于中小型企業(yè)生產(chǎn)。因此，開發(fā)適用的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，對提高雙金屬管復(fù)合管的生產(chǎn)技術(shù)水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大使用范圍是十分必要的。

圖1 介紹的一種滾壓技術(shù)是以液壓脹形或其他現(xiàn)有工藝［2］，使雙金屬內(nèi)外管達(dá)到小間隙松配合。內(nèi)外管的緊密配合則通過管內(nèi)壁的滾壓過程完成，且周向分布的滾壓元件能自動進(jìn)行徑向位移補(bǔ)償，同時(shí)滾壓力保持穩(wěn)定。

主要工藝流程為:

圖1 滾壓復(fù)合法Figure 1 Hydraulic Composite Method

該方法的關(guān)鍵技術(shù)是復(fù)層鋼板的精密剪切、筒體的精密焊接和滾壓工具的制作與滾壓參數(shù)設(shè)定。為此太原科技大學(xué)研制開發(fā)了專用設(shè)備與工具［3］，主要有:薄壁筒體的成型設(shè)備;薄壁筒體的自動焊接設(shè)備;缸體擴(kuò)徑與表面處理設(shè)備;滾壓復(fù)合設(shè)備與工具。

該方法適用于生產(chǎn)直徑在?50 mm～?250 mm，長度小于9 000 mm 的復(fù)合雙金屬管。復(fù)層厚度范圍在0.5 mm～2.5 mm?；鶎硬牧蠟槠仗间?，復(fù)層可以根據(jù)需要選用不銹鋼、銅、鋁、和鈦合金等。滾壓復(fù)合法生產(chǎn)的雙金屬管的結(jié)合方式主要是機(jī)械咬合，其結(jié)合強(qiáng)度滿足缸體類零件的使用要求。

該方法的特點(diǎn)是:尺寸控制準(zhǔn)確，可以獲得高精度的內(nèi)、外表面，而且復(fù)層厚度小，工藝靈活，適用于單件生產(chǎn)或批量生產(chǎn)。同時(shí)該方法也可以生產(chǎn)流體輸送用的雙金屬管。因此，目前該方法已廣泛用于煤礦用單體液壓支柱和綜采支架油缸的制造和修復(fù)工藝中［4］，且在長尺寸雙金屬管生產(chǎn)中該方法也得到很好的應(yīng)用。

2 雙金屬復(fù)合管的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合管是滾壓塑性成形裝置制出來的內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管，內(nèi)外管均為無縫鋼管。內(nèi)管材質(zhì)為304，外管材質(zhì)為20#鋼，內(nèi)外管的材料特性見表1，復(fù)合管內(nèi)外管的初始尺寸見表2。

表1 內(nèi)外管材料力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical property parameter of inner and outer tubes materials

表2 內(nèi)外管材料及初始尺寸Table 2 Inner and outer materials and original dimension

試件制作:取一段長度為120 mm 的復(fù)合鋼管，兩端部各留下55 mm，上端的實(shí)測長度為H1。在試件中間約10 mm 的長度內(nèi)，車削掉外層管碳鋼管，把內(nèi)襯完整的不銹鋼管留下，見圖2。在其一端車削掉35 mm 的內(nèi)襯不銹鋼，留下外層碳鋼管，車削掉的部分實(shí)測長度為H2，上端外層鋼管和不銹鋼管結(jié)合長度為H，H=H1+H2;在側(cè)向鉆兩個(gè)通孔，中心離試件的兩端為20 mm。再準(zhǔn)備兩根?15 mm 圓鋼，其長度=試件管外徑+60 mm。在4 個(gè)不同的脹管壓力作用下分別制出一根長為6 000 mm 的復(fù)合鋼管，同時(shí)把每根復(fù)合管按照圖2 的要求加工成3 個(gè)復(fù)合管試件。把具有同一脹管壓力的分為一組，共4 組。每組選3 個(gè)試件，按照施加脹管壓力的大小依次編號。

圖2 復(fù)合管實(shí)驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Composite tube specimen structure

實(shí)驗(yàn)方法:把圓鋼導(dǎo)入試件的兩個(gè)通孔內(nèi)，將材料試驗(yàn)機(jī)上的夾具夾住圓鋼的兩端，然后在兩根圓鋼上施加上下分離的拉力，試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度為3 mm/min。這時(shí)外層鋼管內(nèi)層不銹鋼管在兩根圓鋼的拖動下開始分離。觀察記錄儀的壓下分離曲線，當(dāng)壓下分離曲線突然改變方向的時(shí)候該點(diǎn)為不銹鋼、外層鋼管發(fā)生位移的特征點(diǎn)，所對應(yīng)的力即是外層鋼管和不銹鋼的界面的結(jié)合力。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

如果試件的襯管與基管之間發(fā)生移動而測得的最大界面拉脫力為F(N)，內(nèi)襯不銹管外徑為D(mm)，外層鋼管和內(nèi)層不銹鋼管之間的結(jié)合強(qiáng)度為P(MPa)，則拉脫力F 和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系為:

式中，H 為外層管與內(nèi)層管的有效結(jié)合長度，H=20 mm。

取每組3 個(gè)試件實(shí)測得到的拉脫力的均值，由公式(1)可計(jì)算得到每組試件的結(jié)合強(qiáng)度。復(fù)合管實(shí)測的結(jié)合強(qiáng)度與理論計(jì)算得到的殘余接觸壓力之間的關(guān)系為

式中，f 為摩擦系數(shù)。

表3 為實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)合強(qiáng)度和殘余接觸壓力理論計(jì)算值之間的比較。

表3 實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)合強(qiáng)度與理論計(jì)算值之間的比較Table 3 Comparison of bonding strength obtained in experiment and theoretical

從表3 可以看出，摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，說明復(fù)合管理論殘余接觸壓力的計(jì)算值與實(shí)際測得的殘余接觸壓力值的變化趨勢一致，都是隨著脹管壓力的增加而增加，但是計(jì)算得到的摩擦系數(shù)偏高，同時(shí)第一組數(shù)據(jù)的理論殘余接觸壓力的計(jì)算值為0，而實(shí)測的卻又有結(jié)合強(qiáng)度，原因如下:

(1)實(shí)際制造中所用的內(nèi)外管并非理想的圓筒，而實(shí)際中不可避免的存在著不圓度、彎曲度、壁厚不均勻、表面不平度等，且每組實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合管的內(nèi)外管都不是同一根管，所以內(nèi)外管間的摩擦系數(shù)肯定存在著差異。

(2)此實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合裝置是內(nèi)滾壓成形裝置，在實(shí)際成形過程中存在著軸向應(yīng)力，而理論分析中并沒有考慮軸向應(yīng)力。

3 結(jié)語

本文對雙金屬復(fù)合管滾壓塑性成形工藝的特點(diǎn)進(jìn)行了分析介紹，并對采用雙金屬復(fù)合管內(nèi)滾壓塑性復(fù)合成形裝置制造出的內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管進(jìn)行了拉脫力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)值與理論分析值基本一致，殘余接觸壓力均隨脹管力的提高而提高，且得到的復(fù)合管質(zhì)量完全滿足國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］於方，秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應(yīng)用.焊管.2000(1).

［2］專利:CN1174767A.一種可用于雙金屬管和內(nèi)壁耐磨金屬管生產(chǎn)的方法.

［3］趙衛(wèi)民.金屬復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)綜述［J］.焊管，2003，26(3).

［4］劉玲玲.鋁-鋼雙金屬管材的生產(chǎn)與應(yīng)用.山西冶金，2003，4.