CN114704693A - 一种高比强度管材及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比强度管材及其制作方法，包括金属管件，在金属管件管腔内填充有高压气体，金属管件的两端设有堵头以将高压气体封闭于管腔内。制作时，在金属管件一端焊接堵头以将该端封闭；然后将金属管件放置于液氮罐中冷却，金属管件另一端位于液氮罐外，使金属管件另一端冷却到设定温度；通过金属管件另一端向管腔内加入干冰；在金属管件另一端焊接堵头以将另一端封闭从而使干冰封闭于管腔内；取出金属管件，干冰在常温下气化而在金属管件内部形成高压气体，即得到高比强度管材。本发明能够有效提高材料的比刚度和比强度，并且制作简单，调节灵活。
Description
技术领域
本发明涉及高压薄壁材料技术改进，具体涉及一种高比强度管材及其制作方法，属于材料制作技术领域。
背景技术
在工程应用过程中，往往期望材料具有较高的刚度和强度，然而材料的刚度和强度的增加，往往伴随着材料重量和密度增加的应用矛盾，以及比刚度和比强度的矛盾。怎么解决这些矛盾成为材料科学研究的重要问题，有通过结构设计改进的，有通过新型复合改进的，均取得一定的成效，特别是在结构设计上取得了很大的进步。如何提供一种方便制备、比刚度和比强度更优且可控的材料一直是本领域技术人员的研究方向。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高比强度管材及其制作方法，本发明能够有效提高材料的比刚度和比强度，并且制作简单，调节灵活。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高比强度管材，包括金属管件，在金属管件管腔内填充有高压气体，金属管件的两端设有堵头以将高压气体封闭于管腔内。
所述高压气体为二氧化碳。
所述金属管件为不锈钢管。
一种高比强度管材制作方法，步骤如下，
1）在两端开口的金属管件一端焊接堵头以将该端封闭；
2）将步骤1）得到的金属管件放置于液氮罐中冷却并与液氮罐固定，金属管件另一端位于液氮罐外，使金属管件另一端冷却到设定温度；该设定温度低于干冰的沸点；
3）通过金属管件另一端向管腔内加入干冰；
4）在金属管件另一端焊接堵头以将另一端封闭从而使干冰封闭于管腔内；
5）取出金属管件，干冰在常温下气化而在金属管件内部形成高压气体，即得到高比强度管材。
优选地，步骤4）焊接堵头时，保持焊枪位置固定，旋转液氮罐和金属管件以完成堵头的焊接。
步骤3）加入干冰的量以干冰在常温下气化后在管腔内得到需要的高压为准。
步骤3）和步骤4）进行时，金属管件始终位于液氮罐内。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在薄壁不锈钢管件内部充入高压气体的独特方式，构建出一种新型工程材料，有效的提高了材料的比刚度和比强度。
2、本发明制作简单实用，能很好的解决工程中对高比强度和高刚度性能材料的需求，并可根据实际需要通过调节干冰量达到调节构件材料力学性能的目标。
附图说明
图1为本发明高比强度管材结构示意图。
图2为本发明加工示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明提出了一种高比强度管材，包括金属管件1，在金属管件管腔内填充有高压气体3，金属管件1的两端设有堵头2以将高压气体3封闭于管腔内。
所述高压气体3为二氧化碳。
所述金属管件1为不锈钢管。
本发明虽然由于金属管件壁厚较薄降低了本体材料的强度和刚度，但通过充入高压气体并密封在管件内可有效补偿材料强度和刚度的降低，同时可大大降低复合材料的密度，故从综合角度来看，虽然薄壁材料强度和刚度有所降低，但密度降低的幅度更大，因而提高了复合材料的比刚度和比强度。
在该设计思路中，怎么把高压二氧化碳密封在不锈钢管件内成为一大难题，经过多种方案论证，本发明找到了一种既经济实惠，又具有实际可操作性的制作方法，其制作工艺示意见图2。详细步骤如下，
1）在两端开口的金属管件1一端焊接堵头2以将该端封闭；
2）将步骤1）得到的金属管件1放置于液氮罐5中冷却并与液氮罐5固定，金属管件1焊接有堵头2那端淹没于液氮6中，金属管件1另一端位于液氮罐5外，通过液氮冷却使金属管件另一端冷却到设定温度；该设定温度低于干冰的沸点；
3）通过金属管件1另一端向管腔内加入干冰4；
4）在金属管件1另一端焊接堵头2以将另一端封闭从而使干冰4封闭于管腔内；
5）取出金属管件1，干冰4在常温下气化而在金属管件内部形成高压气体3，即得到高压薄壁构件。
步骤4）焊接堵头时，保持焊枪7位置固定，旋转液氮罐5和金属管件1以完成堵头的焊接。
步骤3）和步骤4）进行时，金属管件始终位于液氮罐5内。
在一个具体实施例中，采用外径12mm，壁厚0.2mm的薄壁不锈钢管作为基材，在不锈钢管内充入高压二氧化碳气体并把高压二氧化碳气体密闭在不锈钢管内，得到一种新型构建材料，由此提高了材料的比刚度和比强度。
本发明首先使用激光焊接的方式把不锈钢管一端通过堵头进行焊接密封，密封的不锈钢管件放入液氮中进行低温冷却，经过一定时间的冷却，金属管件处于超低温状态。然后在另一开口端加入一定量的干冰，在该低温下，干冰仍然处于固体状态。接着把另一个堵头插入不锈钢管另一开口端，旋转不锈钢管和液氮罐，同时开始激光焊接开口处的堵头进行不锈钢管的密封，因为液氮温度远远低于干冰气化温度，即使在焊接放热过程中，干冰也处于固体形态。密封完成后，取出该密封管件，该管件在常温下，由于干冰在常温下的气化而在管件内部形成高压气体，得到需要的高压密闭构件。上述工艺过程，可方便的通过调整干冰的加入量得到不同的内压构件，从而很方便的实现调整构件材料比刚度和比强度的目的。
本发明高压构件经过三点弯力学测试装置试验，对几种不同内压的构件得出的力学数据可见，随着内压的提高，比强度增加较明显，比刚度改善一般。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种高比强度管材，包括金属管件，其特征在于：在金属管件管腔内填充有高压气体，金属管件的两端设有堵头以将高压气体封闭于管腔内。
2.根据权利要求1所述的一种高比强度管材，其特征在于：所述高压气体为二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的一种高比强度管材，其特征在于：所述金属管件为不锈钢管。
4.一种高比强度管材制作方法，其特征在于：步骤如下，
1）在两端开口的金属管件一端焊接堵头以将该端封闭；
2）将步骤1）得到的金属管件放置于液氮罐中冷却并与液氮罐固定，金属管件另一端位于液氮罐外，使金属管件另一端冷却到设定温度；该设定温度低于干冰的沸点；
3）通过金属管件另一端向管腔内加入干冰；
4）在金属管件另一端焊接堵头以将另一端封闭从而使干冰封闭于管腔内；
5）取出金属管件，干冰在常温下气化而在金属管件内部形成高压气体，即得到高比强度管材。
5.根据权利要求4所述的一种高比强度管材制作方法，其特征在于：步骤4）焊接堵头时，保持焊枪位置固定，旋转液氮罐和金属管件以完成堵头的焊接。
6.根据权利要求4所述的一种高比强度管材制作方法，其特征在于：步骤3）加入干冰的量以干冰在常温下气化后在管腔内得到需要的高压为准。
7.根据权利要求4所述的一种高比强度管材制作方法，其特征在于：步骤3）和步骤4）进行时，金属管件始终位于液氮罐内。
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