RU2116148C1 - Method for making builtup products with lengthwise laminarity - Google Patents

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly production of tubes with clad working surface by hot extrusion. SUBSTANCE: product is assembled of two arranged one inside another hollow blanks. Inner blank is in the form of sleeve with locally thickened wall. Outer blank is placed onto said sleeve in such a way that it is supported by said thickened portion of sleeve. Material of said sleeve is axially compressed in limits of small cross section of said sleeve and then said thickened portion is removed. At axial compression shoulder is formed on one end of blank. Said shoulder is arranged at side of die of extrusion press. EFFECT: high quality welding of materials. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления составных изделий с продольной слоистостью, с целью получения труб с плакированной рабочей поверхностью. The invention relates to the processing of metals by pressure, and in particular to methods of manufacturing composite products with longitudinal layering, in order to obtain pipes with a clad working surface.

Известен способ прессования составных по толщине заготовок, полученных кристаллизацией плакирующего металла относительно боковой поверхности втулки из плакируемого металла в процессе полунепрерывного литья, при котором заготовку нагревают, размещают на игле, устанавливают в контейнер и прикладывают к торцу осевое сжимающее усилие (Гильденгорн М.С. и др. Цветная металлургия, 1963, N 11, с. 35). A known method of pressing composite in thickness of preforms obtained by crystallization of the cladding metal relative to the side surface of the sleeve of the clad metal in a semi-continuous casting process, in which the workpiece is heated, placed on a needle, installed in a container and applied axial compressive force to the end face (M. Gildengorn and other non-ferrous metallurgy, 1963, N 11, p. 35).

К недостатку известного способа следует отнести то, что для толстостенных заготовок существенно проявляется непредсказуемость процесса образования соединения в паре твердая фаза - жидкая фаза. Это объясняется тем, что в сварном шве образуются низкотемпературные эвтектики и хрупкие интерметаллидные включения. Последнее весьма существенно отражается на механических свойствах прессуемых изделий. The disadvantage of this method should include the fact that for thick-walled workpieces, the unpredictability of the formation of compounds in a pair of solid phase - liquid phase is significantly manifested. This is because low-temperature eutectics and brittle intermetallic inclusions are formed in the weld. The latter is very significantly reflected in the mechanical properties of the pressed products.

Известен также способ изготовления составных изделий с продольной слоистостью, включающий размещение одну в другой двух пустотелых заготовок, внутренняя из которых выполнена из менее прочного материала, при котором заготовки собирают и фиксируют друг относительно друга, осуществляют нагрев составной заготовки, ее установку на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем размещения в контейнере и приложения осевого сжимающего усилия к торцу составной заготовки. There is also a known method of manufacturing composite products with longitudinal layering, including placing one into the other two hollow billets, the inner of which is made of less durable material, in which the billets are assembled and fixed relative to each other, the composite billet is heated, it is mounted on a needle, followed by pressing through a conical matrix by placing in the container and applying axial compressive force to the end face of the composite workpiece.

Известный способ характеризуется одним из главных недостатков - возможной несвариваемостью плакирующего и плакируемого материалов в процессе прессования, т. к. в процессе сборки толстостенных составных заготовок затруднительно получение полного физического контакта сопрягаемых поверхностей, когда расстояние между противоположными точками соединяемых поверхностей должно быть соизмеримо с параметрами кристаллических решеток соединяемых материалов. The known method is characterized by one of the main disadvantages - the possible weldability of the cladding and cladding materials during the pressing process, because in the process of assembling thick-walled composite blanks it is difficult to obtain full physical contact of the mating surfaces, when the distance between opposite points of the joined surfaces should be comparable with the parameters of the crystal lattices connectable materials.

Задачей изобретения является разработка такого способа изготовления толстостенных составных заготовок, который бы обеспечивал высококачественную сварку обрабатываемых материалов и требуемое качество плакированных труб. The objective of the invention is to develop such a method of manufacturing thick-walled composite billets, which would provide high-quality welding of the processed materials and the required quality of clad pipes.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления составных изделий с продольной слоистостью, включающем размещение одну в другой двух пустотелых заготовок, внутренняя из которых выполнена из менее прочного материала, при котором заготовки собирают и фиксируют друг относительно друга, осуществляют нагрев составной заготовки, ее установку на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем размещения в контейнере и приложения осевого сжимающего усилия к торцу составной заготовки, согласно изобретению внутреннюю заготовку выполняют в виде втулки с утолщением на ее стенке, при сборке заготовок первоначально устанавливают внешнюю заготовку на втулку с опиранием на утолщение последней, производят осевое сжатие материала втулки в пределах ее меньшего поперечного сечения с последующим удалением утолщения сдвиговой деформацией материалов собираемых заготовок на контактной поверхности в процессе осевого перемещения внешней заготовки относительно втулки, а фиксацию заготовок осуществляют осевым пластическим сжатием материала втулки, образуя на одном из торцев составной заготовки уступ, который при ее установке на иглу располагают со стороны матрицы, причем на боковой поверхности втулки в пределах утолщения выполняют кольцевые выемки с глубиной, меньшей высоты утолщения. The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for the manufacture of composite products with longitudinal layering, including placing one in the other two hollow billets, the inner of which is made of less durable material, in which the billets are assembled and fixed relative to each other, the composite billet is heated, it installation on a needle, followed by pressing through a conical matrix by placing in the container and applying axial compressive force to the end face of the composite workpiece, according to and In accordance with the invention, the inner workpiece is made in the form of a sleeve with a thickening on its wall, when assembling the workpieces, the external workpiece is initially installed on the sleeve based on the thickening of the latter, the sleeve material is axially compressed within its smaller cross section with the subsequent removal of the thickening by shear deformation of the materials of the assembled workpieces on the contact surface in the process of axial movement of the external workpiece relative to the sleeve, and the fixation of the workpieces is carried out by axial plastic compression of the mother la sleeve, forming at one end of the composite preform ledge, which, when it is installed on a needle from the matrix, and on the lateral surface of the sleeve thickening operate within annular recesses with a depth smaller than the height of the thickening.

Осуществление предлагаемого способа изготовления составных по толщине толстостенных изделий позволяет обеспечить требуемое качество плакированных труб и, в первую очередь, высококачественную сварку плакирующего и плакируемого материалов. Implementation of the proposed method for the manufacture of thickness-thick thick-walled products allows to provide the required quality of clad pipes and, first of all, high-quality welding of clad and clad materials.

Это объясняется тем, что в процессе сборки заготовок реализуется интенсивная пластическая деформация сдвигом приповерхностных слоев обрабатываемых материалов, что гарантирует разрушение окисных пленок и в сочетании с полем радиальных напряжений на контактной поверхности обуславливает достижение полного физического контакта сопрягаемых поверхностей. This is due to the fact that during the assembly of preforms, intense plastic deformation is realized by shear of the surface layers of the processed materials, which guarantees the destruction of oxide films and, in combination with the radial stress field on the contact surface, determines the full physical contact of the mating surfaces.

Наличие уступа на одном из торцов составной заготовки обеспечивает устойчивое пластическое течение обрабатываемых материалов при горячем прессовании. The presence of a step on one of the ends of the composite billet provides a stable plastic flow of the processed materials during hot pressing.

На фиг. 1 показано исходное положение штамповой оснастки и заготовок перед осуществлением их сборки; на фиг. 2 - окончание стадии осевого пластического сжатия материала втулки; на фиг. 3 - стадия удаления утолщения на втулке сдвиговой деформацией в процессе осевого перемещения внешней заготовки; на фиг. 4 - фиксирование заготовок осевым пластическим сжатием материала внутренней заготовки; на фиг. 5 - составная заготовка, имеющая уступ на одном из его торцев; на фиг. 6 - конструкция внутренней заготовки в виде втулки с кольцевыми выемками на боковой поверхности в пределах утолщения. In FIG. 1 shows the initial position of the die tooling and blanks before assembling them; in FIG. 2 - end of the stage of axial plastic compression of the material of the sleeve; in FIG. 3 - stage removal of thickening on the sleeve by shear deformation in the process of axial movement of the external workpiece; in FIG. 4 - fixing the workpieces by axial plastic compression of the material of the inner workpiece; in FIG. 5 - composite billet having a ledge at one of its ends; in FIG. 6 - the design of the inner workpiece in the form of a sleeve with annular recesses on the side surface within the thickening.

Вариант осуществления предлагаемого к рассмотрению способа изготовления толстостенных составных заготовок состоит в следующем. An embodiment of the proposed method for manufacturing thick-walled composite blanks is as follows.

В плиту 1, имеющую центральное отверстие, устанавливают по посадке движения ступенчатый стержень 2, малая ступень которого имеет диаметр D, а большая ступень D₀. Далее на малую ступень стержня 2 устанавливают заготовку 3 из плакирующего материала, например алюминия марки АДО, с опиранием торца на кольцевую поверхность большей ступени стержня 2 и плиты 1. Заготовка 3 выполнена в виде втулки с утолщением на ее стенке. Причем на длине l - меньший наружный диаметр втулки равен D₀. Далее на боковой поверхности втулки 3 размещают обойму 4, имеющую профилированную центральную полость, причем образующая конической поверхности этой полости наклонена к горизонтали под углом α. Свободный торец втулки 3 отстоит на расстоянии l от торца обоймы 4. Затем на выступающую часть втулки 3 с минимальным зазором устанавливают заготовку 5 из плакируемого материала, например алюминиевого сплава марки Д16. В зазор между малой ступенью стержня 2 и заготовкой 5 устанавливают втулочный пуансон 6 (фиг. 1).In the plate 1, having a Central hole, set on the landing motion of the step rod 2, a small stage which has a diameter D, and a large stage D ₀ . Next, on a small step of the rod 2, a workpiece 3 of cladding material, for example, aluminum of the ADO brand, is installed with the end face resting on the annular surface of the larger step of the rod 2 and plate 1. The workpiece 3 is made in the form of a sleeve with a thickening on its wall. Moreover, on the length l - the smaller outer diameter of the sleeve is equal to D ₀ . Next, on the side surface of the sleeve 3, a ferrule 4 is placed having a profiled central cavity, the generatrix of the conical surface of this cavity being inclined to the horizontal at an angle α. The free end of the sleeve 3 is spaced at a distance l from the end of the casing 4. Then, on the protruding part of the sleeve 3, a workpiece 5 of a plated material, for example, an aluminum alloy of grade D16, is installed with a minimum clearance. In the gap between the small step of the rod 2 and the workpiece 5 set sleeve punch 6 (Fig. 1).

Воздействуя осевым усилием P на втулочный пуансон 6, вызывают его перемещение в направлении втулки 3. В результате имеет место пластическое сжатие материала втулки 3 в пределах ее наименьшего сечения, т.е. на длине l. Как следствие этого сжатия, осуществляется раздача заготовки 5 до диаметра, равного диаметру уступа в торце обоймы 4. Таким образом, на контактной поверхности втулки 3 и заготовки 5 формируется поле радиальных давлений P (фиг. 2). Acting axial force P on the bushing 6, cause it to move in the direction of the bushing 3. As a result, there is plastic compression of the material of the bushing 3 within its smallest section, i.e. at length l. As a consequence of this compression, the workpiece 5 is distributed to a diameter equal to the diameter of the step at the end of the casing 4. Thus, a radial pressure field P is formed on the contact surface of the sleeve 3 and the workpiece 5 (Fig. 2).

Затем производят удаление плиты 1 и втулочного пуансона 6 из комплекта технологической оснастки (фиг. 2). Опорный торец втулки 3 стал иметь свободную кольцевую поверхность с шириной, равной одностороннему зазору ΔZ/2 между обоймой 4 и большой ступенью стержня 2. Then make the removal of the plate 1 and the sleeve punch 6 from the set of technological equipment (Fig. 2). The supporting end of the sleeve 3 began to have a free annular surface with a width equal to the one-sided gap ΔZ / 2 between the cage 4 and the large step of the rod 2.

Далее прикладывают осевое сжимающее усилие P₁ к торцу заготовки 5. Перемещение последней относительно ступенчатого стержня 2 и неподвижной втулки 3 обуславливает сдвиговую деформацию поверхностных слоев втулки 3 и формирование на контактной поверхности собираемых заготовок активных сил трения P_тр, направленных в сторону заготовки 5. Наличие одностороннего зазора ΔZ/2 и его абсолютная величина позволяют реализовать три стадии течения материала втулки 3: только вверх, т.е. в направлении, противоположном направлению прикладываемого усилия, вверх и вниз, и только вниз, т.е. в направлении прикладываемого усилия. Движение заготовки 5 в условиях радиального давления P на контактной поверхности вызывает разрушение окисных пленок на сопрягаемых поверхностях и их вынос из рабочей зоны (фиг. 3).Next, an axial compressive force P _{1 is} applied to the end face of the workpiece 5. The movement of the latter relative to the step rod 2 and the stationary sleeve 3 causes shear deformation of the surface layers of the sleeve 3 and the formation of active friction forces P _Tr directed towards the workpiece 5. On the contact surface of the assembled workpieces 5. The presence of one-sided the gap ΔZ / 2 and its absolute value allow you to implement three stages of the flow of material of the sleeve 3: only up, i.e. in the direction opposite to the direction of the applied force, up and down, and only down, i.e. in the direction of the applied force. The movement of the workpiece 5 under conditions of radial pressure P on the contact surface causes the destruction of oxide films on the mating surfaces and their removal from the working area (Fig. 3).

После чего приступают к окончательному фиксированию заготовок 3 и 5 относительно друг друга, для чего в технологическую оснастку возвращают втулочный пуансон 6, устанавливают на торец заготовки 5 обойму 7 с центральным отверстием и, воздействуя на втулочный пуансон 6 осевым усилием P₂, достигают требуемую величину радиального давления P₁ на контактной поверхности (фиг. 4). Составная заготовка (фиг. 5) характеризуется отсутствием на контактной поверхности заготовок 3 и 5 окислов, атмосферного воздуха, несплошностей и т.д. и наличием ювенильных (чистых) поверхностей в условиях поля оптимальных радиальных давлений P₁. Последнее при нагреве составной заготовки перед прессованием гарантирует образование металлических связей.Then proceed to the final fixation of the workpieces 3 and 5 relative to each other, for which they return the sleeve punch 6, install a clip 7 with a central hole on the end face of the workpiece 5 and, acting on the sleeve punch 6 with an axial force P ₂ , achieve the required radial pressure P ₁ on the contact surface (Fig. 4). The composite blank (Fig. 5) is characterized by the absence of oxides, atmospheric air, discontinuities, etc. on the contact surface of the blanks 3 and 5. and the presence of juvenile (clean) surfaces in the field of optimal radial pressures P ₁ . The latter, when heating the composite preform before pressing, guarantees the formation of metal bonds.

Конструкция втулки из плакирующего материала может содержать на внешней поверхности в пределах утолщения кольцевые выемки шириной l₁ и глубиной, определяемой диаметром D₂, который превышает диаметр D₀. Число кольцевых выемок определяется расстоянием l₂ и выбирается, исходя из практических рекомендаций для каждой отдельной марки плакирующего материала (фиг. 6).The design of the sleeve of cladding material may contain on the outer surface within the thickness of the annular recesses of width l ₁ and a depth determined by the diameter D ₂ that exceeds the diameter D ₀ . The number of annular recesses is determined by the distance l ₂ and is selected based on practical recommendations for each individual brand of cladding material (Fig. 6).

Наличие кольцевых выемок на внешней поверхности втулки 3 предопределяет течение плакирующего материала на стадии сборки заготовок преимущественно только в направлении приложения осевого деформирующего усилия. The presence of annular recesses on the outer surface of the sleeve 3 determines the flow of the cladding material at the assembly stage of the workpieces, mainly only in the direction of application of the axial deforming force.

В последующем нагретые составные заготовки подвергаются прессованию через коническую матрицу, причем их устанавливают на иглу, обращая имеющийся уступ в сторону матрицы. Subsequently, the heated composite billets are pressed through a conical matrix, and they are mounted on the needle, turning the existing ledge towards the matrix.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа проводилась при сборке составных заготовок, содержащих заготовки из алюминиевого сплава Д16 и алюминия марки АДО. A pilot test of the developed method was carried out during the assembly of composite billets containing billets of aluminum alloy D16 and aluminum of the ADO brand.

Заготовки имели следующие геометрические размеры, мм:
из сплава Д16:
внешний диаметр - 165
внутренний диаметр - 65,5
длина - 100
из алюминия марки АДО:
внешний наибольший диаметр - 70
внешний наименьший диаметр - 65,0
внутренний диаметр - 55,0
длина общая - 85
длина с наименьшим внешним диаметром - 10
Кроме того, использовались втулки с кольцевыми выемками, имеющими следующие геометрические размеры: диаметр D₁ = 68 мм; l₁ = 5,0 мм, l₂ = 8 мм. Глубина уступа на составной заготовке не превышала 20 мм.The blanks had the following geometric dimensions, mm:
from alloy D16:
outer diameter - 165
inner diameter - 65.5
length - 100
from aluminum of the ADO brand:
outer largest diameter - 70
outer smallest diameter - 65.0
inner diameter - 55.0
total length - 85
length with smallest outer diameter - 10
In addition, we used bushings with annular recesses having the following geometric dimensions: diameter D ₁ = 68 mm; l ₁ = 5.0 mm, l ₂ = 8 mm. The depth of the step on the composite workpiece did not exceed 20 mm.

Технологическая оснастка для сборки составных заготовок изготавливалась из инструментальной стали У8А с твердостью после закалки HRC_э 56 - 58 ед. и имела следующие исполнительные размеры (7-й квалитет точности): диаметр малой ступени стержня 55 мм (номинальный диаметр); длина малой ступени 110 мм; диаметр большой ступени 65,5 мм; длина обоймы 75 мм; угол наклона α образующей конусной полости к горизонтальной оси 45^o.Tooling for assembling composite billets are made of tool steel with a hardness U8A after hardening HRC _e 56 - 58 units. and had the following executive dimensions (7th accuracy class): diameter of the small step of the rod 55 mm (nominal diameter); length of a small step 110 mm; diameter of a large step 65.5 mm; clip length 75 mm; the angle of inclination α of the generatrix of the conical cavity to the horizontal axis 45 ^o .

Заготовки подвергались предварительной обработке с целью удаления с сопрягаемых поверхностей жировых пятен. The preforms were pretreated to remove grease stains from the mating surfaces.

Осевое сжимающее усилие при сборке заготовок создавали гидравлическим вертикальным прессом марки ПСУ-250 в диапазоне до 2,0 МН. The axial compressive force during the assembly of the workpieces was created by a hydraulic vertical press of the PSU-250 brand in the range up to 2.0 MN.

Осевое перемещение заготовки из плакируемого материала производили также на прессе ПСУ-250 при усилиях до 1,5 МН. The axial movement of the workpiece from clad material was also carried out on a PSU-250 press with forces of up to 1.5 MN.

Нагрев составных заготовок осуществлялся в индукционной печи до температуры прессования 380^oC (время нагрева 3 ч 10 мин с выдержкой при максимальной температуре в течение 10 мин).The composite billets were heated in an induction furnace to a pressing temperature of 380 ^o C (heating time 3 hours 10 minutes with exposure at maximum temperature for 10 minutes).

Прессование плакированных труб прямым методом выполняли на горизонтальном гидравлическом прессе, развивающем максимальное усилие 16,0 МН. Прессование велось с подвижной иглой через коническую матрицу с углом конусности 150^o и диаметром отверстия, равным 56,0 мм. Диаметр иглы составлял 50 мм.Pressing clad pipes by a direct method was performed on a horizontal hydraulic press, developing a maximum force of 16.0 MN. The pressing was carried out with a movable needle through a conical matrix with a taper angle of 150 ^o and a hole diameter of 56.0 mm. The diameter of the needle was 50 mm.

Отпрессовано более 30,0 м плакированных труб с поперечным сечением 56х3,0 мм. More than 30.0 m of clad pipes with a cross-section of 56x3.0 mm were pressed.

Металлографические исследования качества сварки для различных конструкций втулок и оптимальных технологических параметрах сборки, а также коррозионные испытания выявили пригодность новой технологии требованиям производства. Metallographic studies of welding quality for various designs of bushings and optimal technological parameters of the assembly, as well as corrosion tests revealed the suitability of the new technology to the requirements of production.

Изобретение может быть использовано при изготовлении нефтепромысловых труб, нефтепроводных труб для транспортировки нефти, труб для угольной промышленности, судостроения и т.д. The invention can be used in the manufacture of oilfield pipes, oil pipes for transporting oil, pipes for the coal industry, shipbuilding, etc.

Claims (2)

1. Способ изготовления составных изделий с продольной слоистостью, включающий размещение одну в другой двух пустотелых заготовок, внутренняя из которых выполнена из менее прочного материала, при котором заготовки собирают и фиксируют друг относительно друга, осуществляют нагрев составной заготовки, ее установку на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем размещения в контейнере и приложения осевого сжимающего усилия к торцу составной заготовки, отличающийся тем, что внутреннюю заготовку выполняют в виде втулки с утолщением на ее стенке, при сборке заготовок первоначально устанавливают внешнюю заготовку на втулку с опиранием на утолщение последней, производят осевое сжатие материала втулки в пределах ее меньшего поперечного сечения с последующим удалением утолщения сдвиговой деформацией материалов собираемых заготовок на контактной поверхности в процессе осевого перемещения внешней заготовки относительно втулки, а фиксацию заготовок осуществляют осевым пластическим сжатием материала втулки, образуя на одном из торцов составной заготовки уступ, который при ее установке на иглу располагают со стороны матрицы. 1. A method of manufacturing composite products with longitudinal layering, including placing one in the other two hollow billets, the inner of which is made of less durable material, in which the billets are assembled and fixed relative to each other, the composite billet is heated, it is mounted on a needle, followed by pressing through a conical matrix by placing in the container and applying axial compressive force to the end face of the composite workpiece, characterized in that the inner workpiece is made in the form of a sleeve with by thickening on its wall, when assembling the workpieces, the external workpiece is initially installed on the sleeve, relying on the thickening of the latter, the sleeve material is axially compressed within its smaller cross section with the subsequent removal of the thickening by shear deformation of the materials of the workpieces being assembled on the contact surface during the axial movement of the external workpiece relative to bushings, and the fixation of the workpieces is carried out by axial plastic compression of the material of the sleeve, forming on one of the ends of the composite workpiece ledge, which when it is installed on the needle is placed on the side of the matrix. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на боковой поверхности втулки в пределах утолщения выполняют кольцевые выемки с глубиной, меньшей высоты утолщения. 2. The method according to claim 1, characterized in that on the lateral surface of the sleeve within the thickening perform annular recesses with a depth less than the height of the thickening.

Images