一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法

1.本发明涉及金属薄壁管连接加工技术领域，尤其是涉及一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法。


背景技术：

2.管类零件作为一种传输介质、传递载荷的结构，目前已经广泛应用于汽车、航空航天、石油输送管道中。其中，金属薄壁管具有中空、质量轻、高刚度和高强度等优点，高强钢、铝金属、镁合金等轻质金属薄壁管还同时具备轻质材料和薄壁管的双重优点，可以达到减重效果、力学性能与成本的同时占优。因此，由不等直径金属薄壁管制成的零件也越来越受到关注，这类空心管件主要用于发动机进排气系统管件、空调系统管路、液压系统管路、发动机托架中的管件、底盘结构件、车身框架、座椅骨架、散热器支架、前后轴、驱动轴、空心轴等。
3.尽管金属薄壁管具有以上优点，然而，金属薄壁管的应用还面临着一个技术挑战——如何高效可靠地实现不等直径金属薄壁管件间的连接。一方面，由于直径不同，两管无法直接接触，现有的铆接、粘接、塑性连接等方法均需要两管有一定的接触面，因而这些方法并不适用于不等直径的薄壁管的连接；另一方面，由于壁厚的限制，常用的熔化焊接、螺纹连接、法兰连接、卡扣连接等方法均会引起薄壁管的截面变形，故这些方法同样不适合于薄壁管的连接。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，能够高效可靠地连接两个不等直径金属材料薄壁管，同时不会引起薄壁管的截面变形。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，包括以下步骤：
6.s1、将待连接的第一金属薄壁管和第二金属薄壁管放置于加工模具内，并利用加工模具对第一金属薄壁管和第二金属薄壁管进行加热操作，其中，加工模具包括上模具和下模具，所述上模具可垂直上下移动，所述上模具的底部设置有上模圆角，所述下模具设置有下模圆角，所述第一金属薄壁管的直径大于第二金属薄壁管的直径；(需要说明的是，实际应用中，也可先将待连接的两个金属薄壁管预先加热后再放置于加工模具内，此时就无需利用加工模具进行加热操作，之后直接执行步骤s2)
7.s2、上模具向下移动，带着第一金属薄壁管向下移动，当第一金属薄壁管的底部与下模具接触时，在下模圆角作用下，第一金属薄壁管的底部发生向内翻卷变形，形成第一金属薄壁管底部卷曲部；
8.随后上模具向下移动至与第二金属薄壁管的顶部相接触，在上模圆角作用下，第二金属薄壁管的顶部发生向外翻卷变形，形成第二金属薄壁管顶部卷曲部；
9.s3、上模具继续向下移动，使第一金属薄壁管底部卷曲部与第二金属薄壁管顶部卷曲部相结合，并压实形成包覆的接头，即完成第一金属薄壁管和第二金属薄壁管的连接加工。
10.进一步地，所述下模具固定安装于万能材料试验机的台架上，所述万能材料试验机沿轴向施加压缩载荷给上模具，使上模具向下移动。
11.进一步地，所述下模具设置有连通的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽位于第二凹槽的上方，所述下模圆角设置在第一凹槽和第二凹槽的连接位置，所述第一凹槽的直径与第一金属薄壁管的外径相一致，所述第二凹槽的直径与第二金属薄壁管的外径相一致。
12.进一步地，所述第一凹槽的深度大于第一金属薄壁管的高度，所述第二凹槽的深度小于第二金属薄壁管的高度。
13.进一步地，所述步骤s1中第一金属薄壁管放置于加工模具内时，所述第一金属薄壁管的底部与上模具的底部之间存在第一高度差，所述上模具的底部位于第一金属薄壁管的内部；
14.所述步骤s1中第二金属薄壁管放置于加工模具内时，所述第二金属薄壁管的顶部与第二凹槽的顶部之间存在第二高度差，所述第二凹槽的顶部位于第二金属薄壁管的顶部下方。
15.进一步地，所述第一高度差和第二高度差的计算公式具体为：
[0016][0017][0018]
其中，t1为第一金属薄壁管的管壁厚度，t2为第二金属薄壁管的管壁厚度，d1为第一金属薄壁管的外径，d2为第二金属薄壁管的外径，l1为第一高度差，l2为第二高度差，r1为上模圆角的半径，r2为下模圆角的半径。
[0019]
进一步地，所述加工模具内安装有加热装置。
[0020]
进一步地，所述加热装置具体为电阻丝加热器或电磁感应加热器。
[0021]
进一步地，所述第一金属薄壁管和第二金属薄壁管的材质相同，具体为钢合金、铝合金或镁合金。
[0022]
进一步地，所述第一金属薄壁管和第二金属薄壁管的材质为钢合金时，所述加工模具设定加热温度为500～600℃；
[0023]
所述第一金属薄壁管和第二金属薄壁管的材质为铝合金时，所述加工模具设定加热温度为250～300℃；
[0024]
所述第一金属薄壁管和第二金属薄壁管的材质为镁合金时，所述加工模具设定加热温度为200～300℃。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026]
一、本发明方法充分考虑不等直径金属薄壁管不能直接接触的问题，通过设计包括上模具和下模具的加工模具，将上模具嵌套连接于下模具，设计上模具可垂直上下移动，并在上模具的底部设置上模圆角、在下模具设置有下模圆角，利用上模圆角和下模圆角，使
两个金属薄壁管端部(即第一金属薄壁管的底部和第二金属薄壁管的顶部)分别产生向内和向外的卷曲塑性褶皱，以形成接头，能够很好地适用于不等直径金属薄壁管的端部连接。
[0027]
二、本发明充分考虑金属薄壁管的特性，利用加工模具对第一金属薄壁管和第二金属薄壁管进行加热，通过塑性变形形成褶皱，被连接的两个金属薄壁管通过褶皱的包覆形成接头，这种接头连接强度高，有效避免了焊接、螺纹连接等方式会削弱金属薄壁管力学性能的问题。
[0028]
三、本发明充分考虑塑性成形性较差的金属材料连接易产生的开裂问题，通过加热方式，降低材料变形抗力、提高成形性，可有效避免塑性变形能力差的金属薄壁管出现开裂，同时降低对设备的吨位要求，实现提高连接质量和连接强度的效果；
[0029]
四、本发明根据被连接金属薄壁管的几何尺寸，设计合适的金属薄壁管超出加工模具的自由端长度(即第一金属薄壁管的底部与上模具的底部之间的第一高度差、第二金属薄壁管的顶部与第二凹槽的顶部之间的第二高度差)，使得上下金属薄壁管形成的卷曲变形形态能够保持一致，内外金属薄壁管能够相互贴合，保证足够的上下金属薄壁管端部塑性卷曲变形量，可靠形成包覆卷曲、进而形成连接强度稳固的接头。
附图说明
[0030]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0031]
图2为本发明的加工过程示意图；
[0032]
图3为不等直径金属薄壁管压缩塑性连接中被连接管之间的褶皱形态示意图；
[0033]
图4为本发明中第一金属薄壁管与第二金属薄壁管放置于加工模具内的效果示意图；
[0034]
图5为实施例一中加工制作的不等直径铝合金薄壁管接头试样示意图；
[0035]
图中标记说明：1、上模具，2、第一金属薄壁管，3、上模圆角，4、下模具，5、下模圆角，6、第二金属薄壁管，7、端部褶皱。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0037]
如图1和图2所示，一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，包括以下步骤：
[0038]
s1、将待连接的第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管6放置于加工模具内，并利用加工模具对第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管6进行加热操作，其中，加工模具包括上模具1和下模具4，上模具1嵌套连接于下模具4，上模具1可垂直上下移动，上模具1的底部设置有上模圆角3，下模具4设置有下模圆角5，第一金属薄壁管2的直径大于第二金属薄壁管6的直径；
[0039]
s2、上模具1向下移动，带着第一金属薄壁管2向下移动，当第一金属薄壁管2的底部与下模具4接触时，在下模圆角5作用下，第一金属薄壁管2的底部发生向内翻卷变形，形成第一金属薄壁管底部卷曲部；
[0040]
随后上模具1向下移动至与第二金属薄壁管6的顶部相接触，在上模圆角3作用下，第二金属薄壁管6的顶部发生向外翻卷变形，形成第二金属薄壁管顶部卷曲部；
[0041]
s3、上模具1继续向下移动，使第一金属薄壁管底部卷曲部与第二金属薄壁管顶部卷曲部相结合，并压实形成包覆的接头(即端部褶皱7，具体形态如图3所示)，完成第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管6的连接加工。
[0042]
在实际应用中，可将下模具4固定安装于万能材料试验机的台架上，万能材料试验机沿轴向施加压缩载荷给上模具1，使上模具1向下移动。
[0043]
如图2所示，下模具4设置有连通的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽位于第二凹槽的上方，下模圆角5设置在第一凹槽和第二凹槽的连接位置，第一凹槽的直径与第一金属薄壁管2的外径相一致，第二凹槽的直径与第二金属薄壁管6的外径相一致，第一凹槽的深度大于第一金属薄壁管2的高度，第二凹槽的深度小于第二金属薄壁管6的高度。
[0044]
本技术方案考虑到被连接的两个金属薄壁管的连接端部需要形成塑性包覆接头，且接头区域管壁不应出现裂纹，关键在于设计合适的金属薄壁管露出模具部分的自由端长度。若自由端长度过大，则失稳段长度过大，上下金属薄壁管形成的卷曲变形形态将无法保持一致，内外管不能很好地贴合；若自由端长度过小，则上管和下管端部塑性卷曲变形量不足，无法形成包覆卷曲，导致无法可靠形成接头。因此，本技术方案根据被连接金属薄壁管的材料管径、壁厚，以计算被连接金属薄壁管露出模具部分的自由端长度。
[0045]
如图4所示，步骤s1中第一金属薄壁管2放置于加工模具内时，第一金属薄壁管2的底部与上模具1的底部之间存在第一高度差(即第一金属薄壁管2的自由端长度l1)，上模具1的底部位于第一金属薄壁管2的内部；
[0046]
步骤s1中第二金属薄壁管6放置于加工模具内时，第二金属薄壁管6的顶部与第二凹槽的顶部之间存在第二高度差(即第二金属薄壁管6的自由端长度l2)，第二凹槽的顶部位于第二金属薄壁管6的顶部下方。
[0047]
具体的，第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管6的自由端长度(单位为mm)按式(1)与式(2)确定：
[0048][0049][0050]
式(1)与式(2)中，t1为第一金属薄壁管2的管壁厚度，t2为第二金属薄壁管6的管壁厚度，d1为第一金属薄壁管2的外径，d2为第二金属薄壁管6的外径，r1为上模圆角3的半径，r2为下模圆角5的半径，l1为第一金属薄壁管2的自由端长度，l2为第二金属薄壁管6的自由端长度；式中所有符号的单位为mm。自由端长度为第一金属薄壁管2或第二金属薄壁管6放置于加工模具内后暴露在模具外的长度。
[0051]
此外，为保证加工模具对金属薄壁管进行可靠加热，加工模具内安装有加热装置。具体可通过在加工模具内设置电阻的方式加热，也可通过电磁感应方式加热，即加热装置可选用电阻丝加热器或电磁感应加热器。
[0052]
实际应用中，第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管3的材质相同，具体为钢合金、铝合金或镁合金。加工模具对第一金属薄壁管2和第二金属薄壁管3加热时，加热温度根据材质而定：低碳钢薄壁管加热温度为500～600℃、铝合金薄壁管加热温度为250-300℃、镁合金薄壁管加热温度为200～300℃。
[0053]
实施例一
[0054]
本实施例应用上述技术方案，实现一种不等直径铝合金薄壁管的加热塑性连接加工方法，其中，第一金属薄壁管的外径和壁厚分别为44mm和1mm，第二金属薄壁管的外径和壁厚分别为30mm和1mm，包括以下步骤：
[0055]
1)将被连接的两个铝合金薄壁管置入加工模具中，加工模具安装在万能材料试验机上，根据式(1)和式(2)计算得l1＝14mm、l2＝15mm；
[0056]
2)采用电阻加热的方式进行加热，使加工模具温度达到300℃；
[0057]
3)通过万能材料试验机施加轴向压缩载荷，使被连接的两个铝合金薄壁管端部发生卷曲变形并形成塑性褶皱。
[0058]
最终的加工产品如图5所示。
[0059]
实施例二
[0060]
本实施例应用上述技术方案，实现一种不等直径镁/镁合金薄壁管的加热塑性连接加工方法，包括以下步骤：
[0061]
1)将被连接的两个镁/镁合金管置入加工模具中，加工模具安装在万能材料试验机上；
[0062]
2)采用电阻加热的方式进行加热，使加工模具温度达到250℃；
[0063]
3)通过万能材料试验机施加轴向压缩载荷，使被连接的两个镁/镁合金薄壁管端部发生卷曲变形并形成塑性褶皱。
[0064]
实施例三
[0065]
本实施例应用上述技术方案，实现一种不等直径钢/钢合金薄壁管的加热塑性连接加工方法，包括以下步骤：
[0066]
1)将被连接的两个钢/钢合金薄壁管置入加工模具中，加工模具安装在万能材料试验机上；
[0067]
2)采用电阻加热的方式进行加热，使加工模具温度达到600℃；
[0068]
3)通过万能材料试验机施加轴向压缩载荷，使被连接的两个钢/钢合金薄壁管端部发生卷曲变形并形成塑性褶皱。
[0069]
由此可知，本技术方案提出了一种新的适合于不等直径金属薄壁管的加热连接加工方法，通过设计一种加工模具，利用加工模具加热被连接的两个金属薄壁管，然后通过加工模具对金属薄壁管施加轴向压缩载荷，当上管、下管分别对应与下模具、上模具接触时，在模具圆角的引导下，直径较大的上方金属薄壁管底部会产生向内的卷曲变形，形成内褶皱；直径较小的下方金属薄壁管顶部会产生向外的卷曲变形，形成外褶皱。两个褶皱包覆形成自锁接头。这种连接工艺基于塑性变形的原理，集成了塑性连接与加热软化材料的优点，可在模具和压力机的作用下实现批量化生产，具有高精度、高效率和高可靠性的特点。同时，施工过程中没有光、射线、废气等有害物的排放，无须填充材料，工作环境友好。
[0070]
与现有的连接方法相比，本技术方案最显著的优点是可适合于不等直径薄壁管的连接，尤其是直径不等且塑性成形性较差的金属薄壁管的连接。除此之外，与焊接等相比，加热温度远低于焊接所达到的温度，不会引起薄壁管的烧穿；与螺纹连接相比，本方法无需减薄管壁，不影响管坯自身强度，特别适合于薄壁管的连接；与法兰连接相比，本方法接头处不开孔、无需做其他减薄处理，同时减少了法兰连接所需的零件数量；与单一的粘接相比，本方法连接的接头具有更优的耐高温耐低温性能；与常规的塑性连接相比，本方法通过
加热可实现塑性成形性较差的金属薄壁管的连接，适用材料范围更广。因此，本方法可制备不等直径的管/管接头，而且可制备出铝合金、镁合金等难以连接的管/管接头，材料适应范围广，接头强度更高。
[0071]
综上，本技术方案的优越性在于：
[0072]
一、适合于不等直径薄壁管的连接。已有的焊接、螺纹连接、铆接、粘接等均需要两金属管的直接接触，而本发明的连接方法可适用于不等直径金属薄壁管的连接，应用范围更广。
[0073]
二、适合于金属薄壁管的连接，已有的焊接、螺纹连接等均会对薄壁管产生力学性能的削弱，影响母材的强度，单一的粘接不耐高温和低温性。而本发明的连接方法只是薄壁管发生塑性变形，变形之后母材的强度更高。
[0074]
三、适合于塑性成形性较差的金属管材的连接，如铝合金、镁合金薄壁管。本发明采用加热来提高金属管材的塑性性能，确保连接区域不发生开裂缺陷，接头强度更加可靠。
[0075]
四、本发明的连接方法对被连接管的力学性能无损伤，无光、热、废气等的排放，无需填充材料。
[0076]
五、本发明的连接方法采用加工模具的方式进行生产，生产精度有模具保证，因此制造加工的产品质量稳定性好，且自动化程度高，适合于流水线生产。

技术特征：
1.一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将待连接的第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)放置于加工模具内，并利用加工模具对第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)进行加热操作，其中，加工模具包括上模具(1)和下模具(4)，所述上模具(1)可垂直上下移动，所述上模具(1)的底部设置有上模圆角(3)，所述下模具(4)设置有下模圆角(5)，所述第一金属薄壁管(2)的直径大于第二金属薄壁管(6)的直径；s2、上模具(1)向下移动，带着第一金属薄壁管(2)向下移动，当第一金属薄壁管(2)的底部与下模具(4)接触时，在下模圆角(5)作用下，第一金属薄壁管(2)的底部发生向内翻卷变形，形成第一金属薄壁管(2)底部卷曲部；随后上模具(1)向下移动至与第二金属薄壁管(6)的顶部相接触，在上模圆角(3)作用下，第二金属薄壁管(6)的顶部发生向外翻卷变形，形成第二金属薄壁管(6)顶部卷曲部；s3、上模具(1)继续向下移动，使第一金属薄壁管(2)底部卷曲部与第二金属薄壁管(6)顶部卷曲部相结合，并压实形成包覆的接头，即完成第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)的连接加工。2.根据权利要求1所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述下模具(4)固定安装于万能材料试验机的台架上，所述万能材料试验机沿轴向施加压缩载荷给上模具(1)，使上模具(1)向下移动。3.根据权利要求1所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述下模具(4)设置有连通的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽位于第二凹槽的上方，所述下模圆角(5)设置在第一凹槽和第二凹槽的连接位置，所述第一凹槽的直径与第一金属薄壁管(2)的外径相一致，所述第二凹槽的直径与第二金属薄壁管(6)的外径相一致。4.根据权利要求3所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述第一凹槽的深度大于第一金属薄壁管(2)的高度，所述第二凹槽的深度小于第二金属薄壁管(6)的高度。5.根据权利要求3所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述步骤s1中第一金属薄壁管(2)放置于加工模具内时，所述第一金属薄壁管(2)的底部与上模具(1)的底部之间存在第一高度差，所述上模具(1)的底部位于第一金属薄壁管(2)的内部；所述步骤s1中第二金属薄壁管(6)放置于加工模具内时，所述第二金属薄壁管(6)的顶部与第二凹槽的顶部之间存在第二高度差，所述第二凹槽的顶部位于第二金属薄壁管(6)的顶部下方。6.根据权利要求5所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述第一高度差和第二高度差的计算公式具体为：在于，所述第一高度差和第二高度差的计算公式具体为：其中，t1为第一金属薄壁管(2)的管壁厚度，t2为第二金属薄壁管(6)的管壁厚度，d1为第一金属薄壁管(2)的外径，d2为第二金属薄壁管(6)的外径，l1为第一高度差，l2为第二高
度差，r1为上模圆角(3)的半径，r2为下模圆角(5)的半径。7.根据权利要求1所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述加工模具内安装有加热装置。8.根据权利要求7所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述加热装置具体为电阻丝加热器或电磁感应加热器。9.根据权利要求1所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)的材质相同，具体为钢合金、铝合金或镁合金。10.根据权利要求9所述的一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，其特征在于，所述第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)的材质为钢合金时，所述加工模具设定加热温度为500～600℃；所述第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)的材质为铝合金时，所述加工模具设定加热温度为250～300℃；所述第一金属薄壁管(2)和第二金属薄壁管(6)的材质为镁合金时，所述加工模具设定加热温度为200～300℃。

技术总结
本发明涉及一种不等直径金属薄壁管的加热塑性连接加工方法，包括：将待连接的第一和第二金属薄壁管放置于加工模具内，利用加工模具进行加热；上模具向下移动，带着第一金属薄壁管向下移动，当第一金属薄壁管底部与下模具接触时，在下模圆角作用下，第一金属薄壁管底部发生向内翻卷变形；随后上模具向下移动至与第二金属薄壁管顶部相接触，在上模圆角作用下，第二金属薄壁管顶部发生向外翻卷变形；上模具继续向下移动，使第一金属薄壁管底部卷曲部与第二金属薄壁管顶部卷曲部相结合，并压实形成包覆的接头。与现有技术相比，本发明能够可靠实现不等直径金属薄壁管的端部连接，接头连接强度高，并能避免成形性较差的金属薄壁管发生连接开裂问题。发生连接开裂问题。发生连接开裂问题。


技术研发人员：余海燕 吴航宇
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1