專利名稱：三層卷焊管及其成型方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬“成型”技術中的“滾軋”和“焊接”領域。與本發明關聯較多的是雙層卷焊管。
目前，雙層卷焊管在國內外使用得都較普遍，它也被人們習慣地稱為BUNDY管，在專利文獻中則多被稱為“銅釬焊多層管”(英文copperbrazedmultilayertube)。之所以被稱為“多層管”是因為雙層卷焊管比常見的單層管多了一個管層。
雙層卷焊管的橫斷面如圖3所示。它有內外兩個管層，內外管層邊緣的坡口保證了管層的平滑搭接，內外管層之間有略大于360°的釬焊縫，將內外管層牢固地焊接為一體。由圖3顯而易見，在搭接處內外管層邊緣坡口之間有一個完整的連續管層，因而搭接處有1/2壁厚是完全可靠的，另外1/2壁厚的可靠性則取決于成型及釬焊質量。還可看出，如果管內部的氣體或液體想從內層搭接處滲出管外，那么它必須在內外管層之間環繞360°。
根據英國專利GB2039808，美國專利US4379216，雙層卷焊管的生產主要包括卷曲成型和釬焊兩道工序。在卷曲成型這道工序，雙面鍍銅并在可控氣氛中退火的冷軋鋼帶被連續地、逐漸地從帶鋼寬度方向往上卷曲成為一個雙層管筒。在釬焊這道工序，已經卷成的雙層管筒被以一定的速度喂入充滿保護氣體的釬焊爐，在爐內被加熱到約1370K(1100℃)并保持該溫度一段時間，從而使鍍在鋼帶上的銅熔化，隨后便進入卻區，熔化的銅開始凝固，從而將管筒的內外兩層在360°的圓周上全部焊合起來。爐內充滿保護氣體的目的是防止管筒表面氧化。
由于前述的特殊制造方法，雙層卷焊管具有良好的防滲漏、抗管內高壓、抗振動疲勞等性能，因而被廣泛用于制造汽車剎車管、冰箱冷凝器，以及其它油、氣管路。
將兩根以上不同直徑的雙層管一根根套起來之后進行拉拔，還可以生產出四層、六層、八層乃至更多層的卷焊管，供制造柴油機高壓噴油管等特高壓油、氣管路。
由以上所述可以看出，目前國內外還只能生產兩層、四層、六層等雙數層管，而不能生產三層、五層、七層等單數層管。這樣，在一根單數層管卻能滿足要求的場合，也得選比其多一層的雙數層管，這就造成了材料的浪費。
雙層卷焊管的成型方法(過程)有幾種，但目前普遍應用的是BUNDY方法。根據英國專利GB2039808和日本專利J55048420，雙面鍍銅鋼帶成型為雙層管的BUNDY方法如圖4所示。其成型過程可以簡述如下雙面鍍銅并經退火處理的冷軋鋼帶由開卷機進入成型機組后，首先帶鋼的邊緣各被壓出一個斜坡，稱為坡口，其目的是使雙層管內外層能平滑搭接。然后，相應于管筒外層搭接處的一窄條鋼帶被軋彎起來，并與未被軋彎起來的平直部分成90°，同時相應于內層搭接處附近的鋼帶被軋成一個90°圓弧，這個90°弧將成為內層管筒的一部分。被軋彎起來的直角邊將成為后續卷曲成型的橫向定位支撐邊。以后的幾個輥群在前述軋出的90°圓弧的基礎上將鋼帶連續地、逐漸地從其寬度方向往上卷曲，使之成為一個部分單層、部分雙層的管筒。在此之后，成形之初被軋彎成的直角邊被改軋成一個90°圓弧，隨后，成形輥將管坯從左右兩側同時上卷，使之左右合攏成為一個雙層管筒。為保證管筒的形狀、尺寸精度及內外層之間的緊密貼合，最后要組合使用芯棒及具有半圓孔型的水平軋輥對管筒進行定徑軋制。芯棒由芯棒頭和芯棒桿組成，其中芯棒頭是芯棒的工作部分，它的直徑比芯棒桿要大，芯棒桿被固定在成型機組入料端，即鋼帶穿入端。
在這種成型方法中，成形之初所軋彎的直角純屬一個工藝性結構，其主要用途是用做橫向定位邊，在成形的后部又必須把它去掉，改軋成90°外層圓弧。正如英國專利GB2039808所指出的那樣，這種彎邊及去除彎邊的過程會加劇直角頂點附近材料中的應力及殘余應力。彎起的直角邊的高度和直角頂點處的圓角半徑是所軋壓的定位直角的主要結構參數。它們的合理選擇是重要的，因為若直角邊的高度太小就滿足不了定位要求，太大又極易在軋壓直角時使帶鋼過度拉伸而導致軋壓直角后帶鋼邊緣出現波浪形皺紋，嚴重影響后續成形的穩定進行及軋出管筒的質量。同樣，若頂點處的圓角半徑過小就會加劇材料內部應力，過大則可能使管坯在成型過程中易于發生橫向串動，影響定位精度及可靠性。此外，配輥設計對定位直角的定位精度、可靠性影響也是很大的。總之，定位直角的定位效果對其設計參數的選擇及配輥設計都是較為敏感的，同時它的定位作用是以材料中應力、殘余應力的加劇和帶鋼邊緣可能出現的波浪形皺紋為代價的。
本發明的目的在于設計一種性能更為優越的新型管材-三層卷焊管，以使三層管的生產成為現實，使5層及5層以下單數多層管的生產成為可能，使業已存在的多層管系列得以豐富;本發明的目的還在于根據三層卷焊管的特點提出新的成型方法以及設計實施該成型方法所必需的專用裝置(立輥組)。
按本發明，三層卷焊管由一根帶材卷曲而成，它包括內、中、外三個管層，內層與中層、中層與外層間共有略超過720°的釬焊縫。(見圖1)
按本發明，三層卷焊管的成型過程如圖2所示，其方法如下Ⅰ.首先，將帶材軋壓出內管層側的坡口。
Ⅱ.然后，在一個水平輥機架上對上述帶材進行軋壓，軋壓后橫斷面是由兩段相切的圓弧組成的組合弧，其中一段圓弧為由內層側邊緣附近的一窄條帶材軋彎成的一個小圓弧，該小圓弧將成為內管層的一部分，其中心角略小于90°;另一段圓弧是與前述小圓弧相切并有相同凹向的大圓弧，其半徑R＝50～300mm。
Ⅲ～Ⅵ.之后，以尚未坡口的外層側管坯邊緣作為橫向定位邊，以前述水平輥機架上軋出的內層圓弧為基礎，從內層側開始將管坯連續地、逐漸地從其寬度方向往上卷曲，首先被卷成的是管筒的內管層，繼之卷成的是管筒的中管層。其間，管坯任一橫斷面由已卷成的管筒部(或小圓弧部)和與之相切的具有相同凹向的大圓弧部組成。
Ⅶ.開卷外管層時，在水平輥機架上軋壓出外層側的坡口，這時管坯由已卷成的一個管筒部和與之相切的平直部分組成。
Ⅷ.外層側邊緣被坡口之后，其鄰近的一窄條帶材被軋壓成一個90°圓弧，該圓弧將成為外管層的一部分。
Ⅸ～Ⅹ.之后，將從左右兩側將管坯同時上卷，使之左右合攏為一個三層管筒。為保證三層管筒的形狀、尺寸精度和管層的緊密貼合，在成型的最后兩個水平輥機架上組合使用芯棒和帶有半圓孔型的水平軋輥對管筒進行兩次定徑軋制。
按本發明，三層卷焊管成型所采用的成型裝置主要由電機、傳動部分、水平輥機架和專用裝置(立輥組)組成，水平輥機架和立輥組交替配置。(見圖5)
在立輥組上沿成型機組的縱線方向順次布置幾個成型小立輥(11)，與每個成型小立輥相應地都配置一個母線為圓弧的凹形下托輥(12)，其母線圓弧半徑近似等于管坯中部大弧的半徑，與幾個成型小立輥隔著下托輥相對置放的是一個長的鏈式導板(13)。鏈式導板(13)的外側面上有喇叭形導槽(16)，管坯的橫向定位邊就卡在這個導槽(16)內，與導槽(16)的底面間構成面接觸。導槽(16)由底面(16b)、下表面(16a)、上表面(16c、16d)組成，下表面(16a)略向下傾斜，底面(16b)與下表面(16a)垂直，底面(16b)的上下高度比卷管用帶材厚度略大，上表面(16c、16d)向上傾斜。導槽(16)的下表面(16a)、下托輥(12)的頂部母線和成型小立輥(11)的孔型之間平滑過渡，共同組成對管坯進行卷曲的孔型。鏈式導板(13)由環形導軌和活動鏈組成。活動鏈是由公(14)、母(15)鏈節用柱銷(17)聯接起來的封閉鏈，每個柱銷上都裝有一個滾輪(18)。每個鏈節的外側面上開有前述的定位導槽(16)，鏈節的上下兩個端面(14f、14g)用做滑動、限位面。環形導軌由與成形機組中心線相平行的直導軌(22)和位于直導軌(22)兩端的兩個半圓導軌(21)組成，其上有供活動鏈滾輪(18)滾動的側立環形滾道(19a)和對鏈節進行上下限位的上下兩個水平導軌面(20a、19b)，鏈節的上下端面就在這兩個導軌面上滑動。成型過程中，活動鏈在管坯的拖帶下沿環形導軌做環繞運動。
三層卷焊管成型的水平輥機架有上下兩個水平軋輥，它們的輥型是按管坯型狀上下分體配置的。水平輥機架有兩項功能一是參與管坯的卷曲成型，二是輸入管坯成型所需的動力，以及在成型的管坯中建立微張力。
除前述成型工序外，三層卷焊管的生產還有另一主要工序-釬焊。由于三層卷焊管有三個管層和二個圓周釬焊縫，所以采用接觸式電阻釬焊是比較合適的，原因是這種釬焊方法的特點是橫斷面上溫度比較均勻，能保護內、外兩個釬焊層的釬料同時熔化，從而保證兩個釬焊縫的質量。接觸式電阻釬焊的基本原理是電流熱效應，具體做法是設置相隔一定距離的兩對電極，由成型機出來的管筒以一定速度由這兩個電極間通過時，管筒中便有一個大電流流過，由于電流熱效應管筒的溫度不斷升高，待走出兩個電極所包含的加熱區時，管筒溫度達到最高。其間釬料被熔化，將三個管層釬焊成一體。美國專利US4379216提供了接觸式電阻釬焊的技術。
眾所周知，弧形拱橋具有很強的承載能力和穩定性。如果在立輥組的弧形下托輥處取出一個管坯橫斷面，則管坯的下方有托輥，左右兩邊分別由成形小立輥和鏈式導板支承，很象一個向下彎曲的弧式拱橋，因而本發明中的成形方法使管坯具有很好的橫向穩定性。
如果沿成型機組縱線方向取出一段管坯來看，則其卷曲側有幾個小立輥支承，可近似看做力學上的鉸鏈約束;其下方有幾個下托輥托住，可近似看為力學上的鉸鏈約束;特別是其定位邊由鏈式導板的導槽卡住，其約束能力要強于力學上的鉸支邊。綜上所述，管坯的外部約束、支承條件是很好的。此外，如果取出一個管坯橫斷面來看，其卷曲側有管筒，中間是一個弧形結構，由力學知識可知，這樣的斷面具有較高的抗彎截面模量。管坯內在的較好的抗彎性能加之良好的外部約束條件意味著本發明中成型方法使管坯具有很好的縱向穩定性。
成型過程中，管坯的定位側邊緣卡在鏈式導板的導槽內，絕不會橫向串動，因而本發明中的成型方法定位可靠、準確。此外，管坯的定位邊與鏈式導板的導槽底面之間是面接觸，因而盡管卷管用帶材很軟、很薄，管坯的定位邊也不會變形、損壞。
本發明的成型方法中，并不將外管層側帶鋼邊部軋彎起來用做定位邊，因而從根本上杜絕了因軋彎定位直角而引起的材料內部應力、殘余應力的加劇和可能出現的邊緣失穩現象。
圖1系三層卷焊管的橫斷面圖。
圖2系三層卷焊管實施例成型過程示意圖。
圖3系雙層卷焊管的橫斷面圖。
圖4系雙層卷焊管的BUNDY成型方法的示意圖。
圖5系立輥組、鏈導板示意圖。
圖6系圖5的A-A剖視圖。
實施例說明圖2是一個實施例各水平輥處管坯橫斷面的示意圖。本實施例中共有10個水平輥機架，為保證微張力，水平輥的工作直徑按0.75～1.0%遞增。在第1，2水平輥機架前配置帶鋼導向板，在第3到第8水平輥機架前都配置一個帶有鏈式導板的立輥組，在第9水平輥機架前配置一個由沿成型機組縱線順次排開的三對成型小立輥組成的立輥組，第10水平輥機架前沒有立輥組。
雙面鍍銅并經光亮退火處理的鋼帶0由成型機組前的開卷機進入成型組后，在第1水平輥機架上，其內層側邊緣被軋壓出一個坡口，其外層側仍保持原狀。在第2水平輥機架，帶鋼中部被軋成一個半徑R＝250mm的大圓弧(2a)，同時其內層側邊部被軋成內管層的一段圓弧(2b)。出了第2水平輥機架，管坯便進入了立輥組。參圖5，在立輥組上，沿機組縱線順次布置3個成型小立輥(11)，與之相應地配置3個弧形下托輥(12)，其圓弧半徑R≈250mm，與成型小立輥(11)隔著下托輥(12)相對配置一個長的鏈式導板(13)。在立輥組內，管坯外層側邊緣(1b)及其附近的一窄條帶鋼卡在鏈式導板的導槽(16)內用以定位，管坯中部由下托輥(12)托住，成型小立輥11將帶鋼從其寬度方向逐漸上卷。管坯出了立輥組，又進入下一個水平輥機架，依此類推。在第4水平輥機架，卷完管筒的內管層，在第7架前卷完管筒的中管層。在第7水平輥機架，軋壓出外層坡口(7a)，坡口邊緣厚度約0.1mm。在第8水平輥機架后的由三對小立輥組成的立輥組上，管坯從左右兩側同時上卷，在第9水平輥機架左右合攏成一個三層管筒。在第9水平輥機架，管筒內部有芯棒頭，外部有帶半圓孔型的水平軋輥，對管筒進行輕微定徑。在第10水平輥機架，對管坯進行較大延伸量的第二道定徑，得到三層管筒(10)。管筒(10)送到釬焊爐內進行釬焊。
在附圖5、6中，本實施例中的鏈式導板(13)是由活動鏈和環形導軌組成的。在成形過程中，活動鏈沿環形導軌做環繞運動。活動鏈是由公鏈節(14)，母鏈節(15)用柱銷(17)聯接起來的封閉鏈，每個柱銷上穿有一個滾輪(18)。每個鏈節的外側面上開有定位導槽(16)，鏈節的上端面(14f)，下端面(14g)是滑動、限位面。導槽(16)的下表面(16a)與下軋輥(12)的頂部母線間平滑過渡，其底面(16b)與下表面(16a)垂直，底面(16b)高度比帶鋼厚度大0.2mm，導槽(16)的上表面由水平段(16c)和一個大傾斜角的斜面(16d)組成。本實施例中的環形導軌可分解為兩個半圓導軌(21)和一個直導軌(22)，其中直導軌又由底軌(19)和上壓蓋(20)組成。半圓導軌和直導軌上都有供滾輪(18)滾動的滾道(19a)和對活動鏈進行上下限位的下滑動水平面(19b)，上滑動水平面(20a)。
三層卷焊管的橫斷面如圖1所示。它有內、中、外三個管層，內外管層邊緣的坡口保證了搭接處管層的平滑搭接，內層與中層、中層與外層之間共有略超過720°的釬焊縫，將內、中、外三個管層牢固地釬焊為一體。由圖1顯而易見，在搭接處內、外管層邊緣坡口之間有兩個完整的連續管層，因而搭接處有2/3的壁厚是完全可靠的，另外1/3壁厚的可靠性則取決于成型及釬焊質量。還可看出，如果管內部的氣體或液體想從內層搭接處滲出管外，那么它必須在內、中管層和中、外管層之間環繞720°。
與雙層卷焊管略做比較即可知道，三層卷焊管具有更優越的防滲漏性能;管層搭接處更接近于等強度，具有更高的可靠性，此外，三層管的壁較厚，所以它有更高的抗內壓強度及剛度。由于以上特點，三層卷焊管是制造高壓油、氣管路的理想管材。
以雙層卷焊管和三層卷焊管為原料管，采用套拔的方法即可生產任意層數的多層管。例如，一根雙層管與一根三層管套拔即可生產5層管。再例如，兩根不同直徑的三層管套拔即可生產6層管這比用三根兩層管套拔生產6層管要簡單、容易，而且由于三層管的內在優點，這樣生產出來的6層管將具有更高的綜合可靠性。
權利要求
1.一種由一根帶材卷曲而成的三層卷焊管，它包括內層和外層，本發明的特征在于，它還包括中層，且內層與中層、中層與外層間共有略超過720°的釬焊縫。
2.一種三層卷焊管的成型方法，其特征在于Ⅰ.首先，將帶材軋壓出內管層側的坡口。Ⅱ.然后，在一個水平輥機架上對上述帶材進行軋壓，軋壓后的橫斷面是由兩段相切的圓弧組成的組合弧，其中一段圓弧為由內層側邊緣附近的一窄條帶材軋彎成一個小圓弧，該小圓弧將成為內管層的一部分，其中心角略小于90°，另一段圓弧是與前述小圓弧相切并有相同凹向的大圓弧。Ⅲ～Ⅵ.之后，以尚未坡口的外層側管坯邊緣做為橫向定位邊，以前述水平輥機架上軋出的內層圓弧為基礎，從內層側開始將管坯連續地、逐漸地從其寬度方向往上卷曲，首先被卷成的是管筒的內層，繼之卷成的是管筒的中管層。其間，管坯任一橫斷面由已卷成的管筒部(或小圓弧部)和與之相切的具有相同凹向的大圓弧部組成。Ⅶ.開卷外管層時，在水平輥機架上軋壓出外層側的坡口，這時管坯由已卷成的管筒部分和與之相切的平直部分所組成。Ⅷ.外層側邊緣被坡口之后，其鄰近的一窄條帶材被軋壓成一個90°圓弧，該圓弧將成為外管層的一部分。Ⅸ～Ⅹ.從左右兩側將管坯同時上卷，使之左右合攏為一個三層管筒。在成型的最后兩個水平輥機架上組合，使用芯棒和帶有半圓孔型的水平軋輥對管筒進行兩次定徑軋制。
3.根據權利要求2所述的三層卷焊管成型方法其特征在于與小圓弧相切并有相同凹向的大圓弧的半徑R＝50～300mm。
4.一種三層卷焊管的加工裝置，包括電機、傳動部分、水平輥機架和專用裝置(立輥組)等組成，其特征在立輥組上有幾個成型小立輥(11)沿成型機組縱線方向順次布置，每個小立輥(11)都相應地配置一個母線為圓弧的凹形下托輥(12)，隔著下托輥(12)與前述的幾個成型小立輥(11)相對配置一個長的帶有喇叭形導槽(16)的鏈式導板(13)
5.根據權利要求4所述的三層卷焊管加工裝置，其特征在于鏈式導板(13)由環形導軌和活動鏈組成，活動鏈是由公、母鏈節(14)(15)用柱銷(17)聯接而成的封閉鏈，每個柱銷上有一個滾輪(18)。
6.根據權利要求4、5所述的三層卷焊管加工裝置，其特征在于公、母鏈節(14)(15)上下各有一個平端面，其外側面上開有一個導槽(16)，導槽(16)由底面(16b)、下表面(16a)、上表面(16c)(16d)組成，呈喇叭形，下表面(16a)略向下傾斜，底面(16b)與下表面(16a)垂直，底面(16b)的上下高度比卷管用帶材厚度略大，上表面(16c、16d)向上傾斜。
7.根據權利要求4、5所述的三層卷焊管加工裝置，其特征是環形導軌由直導軌(22)和接于其兩端的兩個半圓導軌(21)組成，導軌上有一個側立的滾道(19a)和上下兩個水平導軌面(19b、20a)，滾輪(18)可在滾道(19a)上滾動。
8.根據權利要求4，7所述的三層卷焊管加工裝置，其特征在于工作時鏈節上下平端面在上下方向受導軌上下兩個水平導軌面(19b、20a)的限位并在其上滑動。
9.根據權利要求4所述的三層卷焊管加工裝置，其特征在于下托輥(12)的頂部母線與成型小立輥(11)和鏈式導板(13)的導槽下表面(16a)間平滑過渡，共同組合成對管坯進行卷曲的孔型。
10.根據權利要求4，6所述的三層卷焊管加工裝置，其特征在于成型過程中管坯大圓弧用以定位的那側邊緣卡在導槽(16)內，并與導槽的底面(16a)間構成面接觸。
全文摘要
三層卷焊管屬“成型”技術中的“滾軋”“焊接”領域，是用雙面鍍有釬料并經光亮退火處理的冷軋帶材在成型機組上從其寬度方向連續地、逐漸地卷成三層管筒后在具有保護氣氛的釬焊爐中釬焊而成的，因而它的橫斷面上有由一根帶材卷曲而成的內、中、外三個管層，三個管層間共有略超過720℃的釬焊縫。管筒的成型采用了具有良好穩定性的弧式成型方法和與該方法匹配使用的鏈式導板等。
文檔編號B21C37/08GK1068637SQ9110461
公開日1993年2月3日 申請日期1991年7月18日 優先權日1991年7月18日
發明者李云江, 賴明道 申請人:東北重型機械學院秦皇島分校