圆管变方管用加热装置及具有其的加工系统的制作方法

1.本发明涉及方形管制备成型领域，特别地，涉及一种圆管变方管用加热装置。此外，本发明还涉及一种包括上述圆管变方管用加热装置的加工系统。


背景技术：

2.现有技术中，中高强钛及钛合金方管作为重要的结构件中的承载部件，在航空航天领域具有较广泛的应用背景。目前，钛及钛合金方管的规格一般为30*30、40*40、50*50、70*70mm，壁厚3～6mm，其制备方法一般为无缝管直接成型，或者带材先弯曲成型为方管坯，再经过直缝焊接成型为方管；另一种加工制备方法为钛及钛合金带材先弯曲成圆管坯，再经过焊接制备成圆焊管，然后在目前的焊管生产线基础上，通过对轧辊设备的改进，经过焊接制备成的圆焊管，在后续的预定径或二次定径位置，采用合适的轧辊形状和轧辊分布形式，将圆焊管进一步挤压成方焊管，即圆管变方管的过程。
3.对于金属板料成形，必须使其在塑性范围内进行，才能得到能保持其最终形状的永久变形，而金属板料在塑性变形中，对成形工艺的适应能力叫做板料的成形性能。然而由于钛合金屈服比大，变形抗力大，易发生脆性破坏，同时弹性模量相对较小，变形的回弹量相对较大，且在圆焊管冷变形为方管时，在圆角过渡位置变形区与非变形区的应力状态不一致，故而极易在圆角过渡位置产生裂纹、褶皱。
4.现有高强钛合金圆管变方管存在如下问题：
①
冷变形：由于钛合金强度高、塑性差、弹性模量高，导致变形抗力大，变形过程中圆角处易出现裂纹缺陷；
②
整体高温加热变形：对圆形焊管进行整体加热，不同位置的变形抗力均降低、变形能力一致，这会导致在直角边和圆角处的过渡区存在较大的应力，导致变形不协调，同样会发生裂纹、褶皱缺陷。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种圆管变方管用加热装置及具有其的加工系统，以解决现有的加工方式存在的“变形不协调，极易在圆角过渡位置产生裂纹、褶皱”等的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种圆管变方管用加热装置，用于设置于使圆管渐变成形为方管的轧辊机组之前，加热装置用于环设于待加热的圆管外，以对圆管上待成形为方管的圆角边的待成形圆角边区域进行定向加热。
8.进一步地，加热装置包括用于对圆管上的待成形圆角边区域进行定向加热的加热带环，及用于供给加热带环热源的第一加热电源，第一加热电源与加热带环相连；加热带环呈环状且沿圆管的牵移方向延伸布设，以在圆管穿设其内环过程中对待成形圆角边区域进行定向加热。
9.进一步地，加热带环包括对应圆管上多个待成形圆角边区域一一设置的加热带，及设置于相邻两条加热带之间以用于连接两者的连接条；加热带沿对应设置的待成形圆角边区域的长度方向弯折延伸，且加热带的折弯宽度不小于对应设置的待成形圆角边区域的
宽度。
10.进一步地，加热装置包括用于对圆管上的待成形圆角边区域进行定向加热的多组加热焊枪；多组加热焊枪环设于圆管的外周，且对应圆管上多个待成形圆角边区域一一布设。
11.进一步地，加热装置包括用于对圆管上的待成形圆角边区域进行定向加热的多组自阻加热轧辊，及用于供给自阻加热轧辊热源的第二加热电源，第二加热电源分别与各自阻加热轧辊相连；多组自阻加热轧辊环设于圆管的外周，且对应圆管上多个待成形圆角边区域一一布设。
12.根据本发明的另一方面，还提供了一种圆管变方管用加工系统，包括：如上述中任一项的加热装置、用于将加热后的圆管渐成形加工为方管的轧辊机组、用于对成形后的方管进行后处理的后处理机组；加热装置、轧辊机组及后处理机组沿圆管的牵移方向依次间隔设置。
13.进一步地，轧辊机组包括用于使圆管渐进成形为方管的多组成型轧辊机，及用于对圆管进行过弯辊轧以弥补成形后反弹的过弯轧辊机；多组成型轧辊机沿圆管的牵移方向依次间隔设置，且过弯轧辊机位于成型轧辊机与后处理机组之间。
14.进一步地，成型轧辊机和过弯轧辊机的结构相同，均包括上下相对间隔设置的一组竖向轧辊，及水平相对间隔设置的一组水平轧辊，且竖向轧辊与水平轧辊围设出用于使圆管穿设成形的成形空区；相邻成型轧辊机的轧辊之间、成型轧辊机的轧辊与过弯轧辊机的轧辊之间的间距均为50～150mm。
15.进一步地，后处理机组包括用于对成形后的方管进行定径的定径轧辊机、用于对定径后的方管进行矫直的矫直轧辊机、用于对矫直后的方管进行退火去应力的在线退火炉；定径轧辊机、矫直轧辊机及在线退火炉沿方管的牵移方向依次间隔设置。
16.进一步地，圆管变方管用加工系统还包括驱动机组，驱动机组包括电机，及与电机分别相连的多台减速机，多台减速机对应多台成型轧辊机、过弯轧辊机、定径轧辊机及矫直轧辊机一一设置；多台成型轧辊机、过弯轧辊机、定径轧辊机及矫直轧辊机的主动辊的外径沿方管的牵移方向逐渐增加，以供给方管牵移所需的驱动力。
17.本发明具有以下有益效果：
18.针对钛及钛合金圆焊管变方管制备过程中出现的圆角边裂纹、褶皱等技术问题，本发明专利提出了一种圆管变方管用加热装置，该加热装置设置于轧辊机组之前，且用于环设于待加热的圆管外，以对圆管上待成形为方管的圆角边的待成形圆角边区域进行定向加热，而圆管上待成形为方管的四条边的位置不进行直接加热，高温作用下，高强钛合金焊管的变形能力得到提高，这样有利于改善方管圆角边位置变形区和非变形区的应力状态，从而提高成型质量，避免在圆角边处产生褶皱、裂纹、金属堆积等缺陷；相比于目前圆焊管制作过程中对焊管在线去应力退火时的感应加热连续螺旋线圈形式，其是对整个焊管表面进行加热，各个位置的加热温度均匀一致，而本专利采用的加热装置，目的是提高高强钛合金圆管变方管时的变形能力和协调性，仅对圆焊管的指定位置进行定向加热，其余位置通过热传导传输，将圆角边处的温度提高，能够获得均匀的温度梯度，使焊管不同位置的变形能力有差异，进而使钛及钛合金焊管在较快的变形速率(方管前进速率，即成型速率)下更容易变形，从而能够有效避免圆角边位置的裂纹和褶皱出现；
19.而采用本发明专利提出的加工系统，只有圆管的待成形圆角边区域直接受热，而过渡区、直边区的热源是通过圆角区向外传递的，从而使直角边部分及过渡区部分的温度低于圆角边处的温度，存在一定的温度梯度，进而使得圆角边处的金属更易成形，破裂点也将会由过渡区转移至圆角边处；而圆角边处的温度较高、塑性强，能够提高圆角边位置形变的均匀性和协调性，防止裂纹等缺陷的产生；而直边区和过渡区的温度较低，形变相对较弱，能够抑制其对圆角边位置的挤压，避免圆角边处内壁褶皱的缺陷。
20.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
21.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1是本发明优选实施例的加热装置实施例一的主视结构示意图；
23.图2是图1中加热带环加热圆管时的状态示意图；
24.图3是本发明优选实施例的加热装置实施例二的主视结构示意图；
25.图4是本发明优选实施例的加热装置实施例三的主视结构示意图；
26.图5是图4中自阻加热轧辊加热圆管时的状态示意图；
27.图6是本发明优选实施例的圆管变方管流程图；
28.图7是图6中成型轧辊机辊轧圆管时的状态示意图；
29.图8是图6中圆管变方管过程中的应力状态图。
30.图例说明
31.10、加热装置；11、加热带环；111、加热带；112、连接条；12、第一加热电源；13、加热焊枪；14、自阻加热轧辊；15、第二加热电源；20、圆管；201、待成形圆角边区域；30、方管；401、竖向轧辊；402、水平轧辊；41、成型轧辊机；42、过弯轧辊机；51、定径轧辊机；52、矫直轧辊机；53、在线退火炉。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
33.参照图1-图5，本发明的优选实施例提供了一种圆管变方管用加热装置，用于设置于使圆管20渐变成形为方管30的轧辊机组之前，加热装置10用于环设于待加热的圆管20外，以对圆管20上待成形为方管30的圆角边的待成形圆角边区域201进行定向加热。
34.针对钛及钛合金圆焊管变方管制备过程中出现的圆角边裂纹、褶皱等技术问题，本发明专利提出了一种圆管变方管用加热装置，该加热装置10设置于轧辊机组之前，且用于环设于待加热的圆管20外，以对圆管20上待成形为方管30的圆角边的待成形圆角边区域201进行定向加热，而圆管上待成形为方管的四条边的位置不进行直接加热，高温作用下，高强钛合金焊管的变形能力得到提高，这样有利于改善方管圆角边位置变形区和非变形区的应力状态，从而提高成型质量，避免在圆角边处产生褶皱、裂纹、金属堆积等缺陷；相比于目前圆焊管制作过程中对焊管在线去应力退火时的感应加热连续螺旋线圈形式，其是对整
个焊管表面进行加热，各个位置的加热温度均匀一致，而本专利采用的加热装置，目的是提高高强钛合金圆管变方管时的变形能力和协调性，仅对圆焊管的指定位置进行定向加热，其余位置通过热传导传输，将圆角边处的温度提高，能够获得均匀的温度梯度，使焊管不同位置的变形能力有差异，进而使钛及钛合金焊管在较快的变形速率(方管前进速率，即成型速率)下更容易变形，从而能够有效避免圆角边位置的裂纹和褶皱出现。
35.可选地，加热装置的第一实施例，如图1和图2所示，加热装置10包括用于对圆管20上的待成形圆角边区域201进行定向加热的加热带环11，及用于供给加热带环11热源的第一加热电源12，第一加热电源12与加热带环11相连。加热带环11呈环状且沿圆管20的牵移方向延伸布设，以在圆管20穿设其内环过程中对待成形圆角边区域201进行定向加热。工作时，通过对加热带环11施加电流，使其变为高温热源，进而对移动的圆焊管进行加热，并通过外置红外测温装置精确控制圆管20的加热温度，高温作用下，高强钛合金焊管的变形能力得到提高，由于其仅对圆管20的待成形圆角边区域201进行定向加热，圆管20的其余位置通过热传导传输，从而能够获得均匀的温度梯度，使焊管不同位置的变形能力有差异，进而使钛及钛合金焊管在较快的变形速率下更容易变形，从而能够有效避免圆角边位置的裂纹和褶皱出现。本可选方案中，针对钛及钛合金，加热温度应低于相变点100～200℃比较合适，一般在650～900℃范围比较合适。
36.本可选方案中，如图2所示，加热带环11包括对应圆管20上多个待成形圆角边区域201一一设置的加热带111，及设置于相邻两条加热带111之间以用于连接两者的连接条112。加热带111沿对应设置的待成形圆角边区域201的长度方向弯折延伸，且加热带111的折弯宽度不小于对应设置的待成形圆角边区域201的宽度。本可选方案中，加热带111为特制的外置电阻丝，采用特制的外置电阻丝分别对圆管20的待成形圆角边区域201进行定位加热，且电阻加热丝在四个待成形圆角边区域201处弯折延伸，从而增加产热量，提高圆角边位置的温度，进而增加其变形能力。
37.可选地，加热装置的第二实施例，如图3所示，加热装置10包括用于对圆管20上的待成形圆角边区域201进行定向加热的多组加热焊枪13。多组加热焊枪13环设于圆管20的外周，且对应圆管20上多个待成形圆角边区域201一一布设。本可选方案中，加热焊枪13为钨极氩弧焊枪，数量为4组。工作时，四组钨极氩弧焊枪分别对移动的圆焊管进行加热，并通过外置红外测温装置精确控制圆管20的加热温度，高温作用下，高强钛合金焊管的变形能力得到提高，由于其仅对圆管20的待成形圆角边区域201进行定向加热，圆管20的其余位置通过热传导传输，从而能够获得均匀的温度梯度，使焊管不同位置的变形能力有差异，进而使钛及钛合金焊管在较快的变形速率下更容易变形，从而能够有效避免圆角边位置的裂纹和褶皱出现。本可选方案中，针对钛及钛合金，加热温度应低于相变点100～200℃比较合适，一般在650～900℃范围比较合适。
38.可选地，加热装置的第三实施例，如图4和图5所示，加热装置10包括用于对圆管20上的待成形圆角边区域201进行定向加热的多组自阻加热轧辊14，及用于供给自阻加热轧辊14热源的第二加热电源15，第二加热电源15分别与各自阻加热轧辊14相连。多组自阻加热轧辊14环设于圆管20的外周，且对应圆管20上多个待成形圆角边区域201一一布设。工作时，通过对自阻加热轧辊14施加电流，使其变为高温热源，进而对移动的圆焊管进行加热，并通过外置红外测温装置精确控制圆管20的加热温度，高温作用下，高强钛合金焊管的变
形能力得到提高，由于其仅对圆管20的待成形圆角边区域201进行定向加热，圆管20的其余位置通过热传导传输，从而能够获得均匀的温度梯度，使焊管不同位置的变形能力有差异，进而使钛及钛合金焊管在较快的变形速率下更容易变形，从而能够有效避免圆角边位置的裂纹和褶皱出现。本可选方案中，针对钛及钛合金，加热温度应低于相变点100～200℃比较合适，一般在650～900℃范围比较合适。优选地，如图4和图5所示，圆管20上同一条待成形圆角边区域201对应沿其长度方向依次间隔设置的多组自阻加热轧辊14，增加产热量，从而提高圆角边位置的温度，进而进一步增加其变形能力。
39.参照图6和图7，一种圆管变方管用加工系统，包括：如权利要求1-5中任一项的加热装置10、用于将加热后的圆管20渐成形加工为方管30的轧辊机组、用于对成形后的方管30进行后处理的后处理机组。加热装置10、轧辊机组及后处理机组沿圆管20的牵移方向依次间隔设置。
40.结合图8所示，σ
t
为径向挤压应力、σ
l
为纵向拉应力、σs为圆角边位置拉应力和压应力。本发明专利局部加热原理：冷弯成型时，在圆管变方管的圆角边位置的中性线势必会发生偏移，即向圆角弯内部转移；在径向方向上，圆角边位置处的外表面受到拉应力，而内表面受到压应力，同时四条侧边还会受到轧辊机组和后处理机组的轧辊的直接压缩，间接对方管圆角边位置增加挤压力；而在纵向方向上，焊管受到前后轧辊组合整体拉应力作用，保证管材前进，由于在圆管变方管圆角边位置不存在轧辊施加的约束力，当方管圆角边位置外表面的拉应力超过材料的变形能力时会导致发生开裂，而内表面材料的挤压会产生褶皱缺陷。采用圆形焊管整体热成型技术时，圆管整体的塑性变形能力得到提升，各个位置的变形能力均匀一致，另外高强钛合金的强度会降低、塑性增强，圆管各部分的温度、屈服强度相同，直边区与圆角区之间的过渡区发生应力集中导致破裂，整体热成型虽然改善了管件的成形质量，但是并没有提高圆角边处的应变程度，在圆管变方管的过程中，组合式轧辊仅对方管的四条边施加约束力，而对圆角边位置不施加轧辊约束，圆角过渡位置会受到双向压应力作用，导致方管内表面出现褶皱问题。
41.而采用本发明专利提出的加工系统，只有圆管20的待成形圆角边区域201直接受热，而过渡区、直边区的热源是通过圆角区向外传递的，从而使直角边部分及过渡区部分的温度低于圆角边处的温度，存在一定的温度梯度，进而使得圆角边处的金属更易成形，破裂点也将会由过渡区转移至圆角边处；而圆角边处的温度较高、塑性强，能够提高圆角边位置形变的均匀性和协调性，防止裂纹等缺陷的产生；而直边区和过渡区的温度较低，形变相对较弱，能够抑制其对圆角边位置的挤压，避免圆角边处内壁褶皱的缺陷。
42.可选地，如图6所示，轧辊机组包括用于使圆管20渐进成形为方管30的多组成型轧辊机41，及用于对圆管20进行过弯辊轧以弥补成形后反弹的过弯轧辊机42。多组成型轧辊机41沿圆管20的牵移方向依次间隔设置，且过弯轧辊机42位于成型轧辊机41与后处理机组之间。
43.本可选方案中，如图6和图7所示，成型轧辊机41和过弯轧辊机42的结构相同，均包括上下相对间隔设置的一组竖向轧辊401，及水平相对间隔设置的一组水平轧辊402，且竖向轧辊401与水平轧辊402围设出用于使圆管20穿设成形的成形空区。相邻成型轧辊机41的轧辊之间、成型轧辊机41的轧辊与过弯轧辊机42的轧辊之间的间距均为50～150mm。本可选方案中，如图6所示，成型轧辊机41的数量为三组，三组成型轧辊机41沿圆管20的牵移方向
依次间隔设置。工作时，被加热的圆管20依次进入到三组成型轧辊机41及一组过弯轧辊机42中，由于圆管的四个直角边分别与成型轧辊机41或过弯轧辊机42中一组竖向轧辊401及一组水平轧辊402分别密切接触，其散热能力增强，而方管的四个圆角边位置散热能力相对较弱，因此使得圆角边位置的变形能力更强，这种排布方式能够有利于促使圆管变方管时，不同区域变形的均匀性和协调性，改变变形过渡区域的应力状态，既能降低圆角边处的变形抗力，又能增加直角边与圆角过渡区的连续性。
44.本可选方案中，三组成型轧辊机41及一组过弯轧辊机42，四者的变形量依次分别为40～60％、10～30％、15～20％、15～20％，其中第四组的轧辊为过弯轧辊机42，这是因为管材在变形过程中还会出现反弹现象，因此在第四组中采用过弯形式，过弯量为5～10％。
45.可选地，如图6所示，后处理机组包括用于对成形后的方管30进行定径的定径轧辊机51、用于对定径后的方管30进行矫直的矫直轧辊机52、用于对矫直后的方管30进行退火去应力的在线退火炉53。定径轧辊机51、矫直轧辊机52及在线退火炉53沿方管30的牵移方向依次间隔设置。本可选方案中，相邻成型轧辊机41的轧辊之间、成型轧辊机41的轧辊与过弯轧辊机42的轧辊之间、过弯轧辊机42的轧辊与定径轧辊机51的轧辊之间、定径轧辊机51的轧辊与矫直轧辊机52的轧辊之间间距均为50～150mm，该种窄间隙排辊方式，能够极大的保持管材变形稳定性，并在出口位置安装在线退火炉53，对管材冷变形应力进行去除。
46.工作时，如图6所示，圆管20进入到如图6所示的加工系统，工作时能够精确控制四组轧辊的行程，采用3～6组成型轧辊机41的形式，逐渐将圆管挤压成方管，变形角度根据轧辊组合数量均匀分布，其中在倒数第二辊，采用过弯变形的形式，方管圆角边弯曲角度增加，在板材回弹和最后一道轧辊的作用下，圆管回弹变为方管，最终完成方管的制备；同时，为避免钛及钛合金在高温加热条件下发生表面氧化，整个装置置于密封舱室内，里面处于充氩气氛围，对制备出的管材进行保护。
47.可选地，如图6所示，圆管变方管用加工系统还包括驱动机组，驱动机组包括电机，及与电机分别相连的多台减速机，多台减速机对应多台成型轧辊机41、过弯轧辊机42、定径轧辊机51及矫直轧辊机52一一设置。多台成型轧辊机41、过弯轧辊机42、定径轧辊机51及矫直轧辊机52的主动辊的外径沿方管30的牵移方向逐渐增加，采用轧辊主动辊外径逐渐递进的形式营造速度差，保持管材前进的驱动力，以供给方管30牵移所需的驱动力。
48.实施例1：感应加热片感应加热
49.在钛合金圆管变方管过程中，主要变形位置为圆角区和过渡区，由于钛合金强度大、塑性差，常规冷变形的方式会导致在圆角区产生裂纹、褶皱等缺陷；而提高钛合金成型温度，其强度下降、塑性增强，变形抗力也显著降低，因此提高圆管温度、在圆角和过渡区营造适当的温度梯度，能够极大的提高圆管变方管的协调性，改善成型质量。
50.采用如图1和图2所示的弯折形感应加热片的形式，利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些电流的能量达到加热目的，对圆角过渡区进行直接加热，加热温度控制在650～900℃范围内，然后圆管进入到成型机组进行圆管向方管的逐渐成型，最终生产出方形焊管。
51.实施例2：tig电弧热源加热
52.采用tig电弧热源对圆角过渡区进行直接加热，如图3所示，电弧电流控制在50～100a的范围内，使得圆形焊管的加热温度在650～900℃范围内，降低钛合金圆管的变形抗
力，然后圆管进入到成型机组进行圆管向方管的逐渐成型，最终生产出方形焊管。
53.实施例3：电流自阻加热
54.采用高频电流和滚轮对圆角过渡区进行加热，如图4和图5所示，有效电流密度为8.0～12a
·
mm-2
，使得圆形焊管的加热温度在650～900℃范围内，降低钛合金圆管的变形抗力，然后圆管进入到成型机组进行圆管向方管的逐渐成型，最终生产出方形焊管。
55.焊管的表面温度与电源电流大小、电极间距、焊管成型速率、焊管规格等密切相关，电极轮间距200～500mm，电流大小为2000～5000a；电极轮与焊管之间即使始终接触又是滚动摩擦的；电极轮对焊管表面具有一定的下压力，电极轮分别置于方管成形装置前后，此时成型轧辊是绝缘的。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。