王國峰 ，曹鳳超 ，楊 超 ，張樂陶 ，趙 淘 ，張凱峰

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

波形膨脹節(jié)是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備和管網(wǎng)中的關(guān)鍵部件，它具有位移補(bǔ)償、吸收外力的作用，而金屬波紋管是波形膨脹節(jié)的關(guān)鍵部件[1-2]。作為一種帶橫向波紋的圓柱形薄壁彈性殼體，金屬波紋管具有很好的密封性和彈性[3-4]。由于它在軸向力、橫向力、彎矩作用下，可以發(fā)生很大的變形，所以金屬波紋管能夠適應(yīng)高強(qiáng)度、大變形以及循環(huán)應(yīng)力的環(huán)境[5]。因此，金屬波紋管在航空航天、船舶、石油、水利等諸多工業(yè)領(lǐng)域具有大量的應(yīng)用[6]。

波紋管通常工作在應(yīng)力復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)、溫度變化大的工作環(huán)境中，鋼制的波紋管極易受到破壞，從而給工作帶來很大的難度[7]。因此，開發(fā)新材料波紋管的必要性日益凸顯[8]。

鈦合金作為一種結(jié)構(gòu)材料，從20世紀(jì)50年代發(fā)展至今，已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。鈦元素在地殼中含量高，鈦合金比強(qiáng)度極高、耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能好，這些優(yōu)點(diǎn)使鈦合金成為制作波紋管的最佳原材料。但是鈦及鈦合金具有冷變形抗力大、冷加工性能差、回彈嚴(yán)重等缺點(diǎn)，用其制造波紋管具有很大難度[9]。

金屬波紋管最主要的成形方法[10]有液壓成形、焊接成形、超塑成形等。利用液壓成形制造波紋管的缺點(diǎn)是當(dāng)波紋管尺寸較大時(shí)，模具成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對油壓機(jī)的要求較高；利用焊接成形制造波紋管的最大缺點(diǎn)是波紋管不能承受內(nèi)壓，所以不能作為膨脹節(jié)柔性段；利用超塑成形制造波紋管的缺點(diǎn)是加熱溫度高、成形時(shí)間長、生產(chǎn)率很低、能量損耗大，并且成形件的壁厚分布不均勻性較液壓成形件高。

電流輔助成形[11-13]是利用電流通過金屬時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱將金屬迅速升溫至成形溫度，然后進(jìn)行成形的方法。電流輔助成形工藝運(yùn)用電流自阻加熱技術(shù)，能在幾十秒內(nèi)加熱到很高的溫度；同時(shí)利用通電致塑效應(yīng)，能大大提高金屬坯料的塑性成形能力。因此，利用電流輔助技術(shù)成形鈦合金波紋管，具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、能避免對模具的加熱、能源利用率高的特點(diǎn)。

因此，本文采用電流輔助加熱鈦管材，采用氣壓脹形和軸向加載的復(fù)合成形方法成形鈦波紋管。

1 溫度場的觀測與控制

通過電流輔助的方法將管材加熱至所需溫度，然后完成波紋管脹形試驗(yàn)。升溫過程中，由于電極和夾持裝置導(dǎo)熱性好，故管材兩端散熱快，溫度低；由于陶瓷導(dǎo)熱性比金屬差，故管材中間部分散熱慢，溫度高。

成形過程中的管材坯料被劃分為3部分，即：中間區(qū)、與空氣接觸區(qū)、與模具接觸區(qū)，分別定義為M區(qū)、A區(qū)、C區(qū)。

圖1顯示的是試驗(yàn)過程中管材各區(qū)域劃分及其溫度，設(shè)定Ar1為M區(qū)，Ar2和Ar3為A區(qū)，Ar4和Ar5為C區(qū)。其中，A區(qū)與空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)，C區(qū)與模具進(jìn)行熱傳導(dǎo)，M區(qū)處于中心部位且?guī)缀醪慌c陶瓷模具接觸。因?yàn)樘沾蓪?dǎo)熱性比空氣導(dǎo)熱性差，所以M區(qū)溫度最高，A區(qū)次之，C區(qū)溫度最低。M區(qū)是波紋管的成形區(qū)，A區(qū)是承受補(bǔ)料所加載的軸向力的傳力區(qū)，所以試驗(yàn)時(shí)需要在M區(qū)溫度較高的基礎(chǔ)上，降低A區(qū)溫度。

選用500A的電流加載于空管上，利用紅外測溫成像儀對加熱全程進(jìn)行記錄。為了獲得相對準(zhǔn)確的溫度，測量溫度時(shí)，需每隔20s將陶瓷模具迅速取下并迅速合上。

從圖2可以觀察到，在C區(qū)左側(cè)溫度比右端的溫度稍低。如圖3所示，測量M區(qū)溫度時(shí)，需要取下模具，所以M區(qū)溫度呈鋸齒狀；A區(qū)左端的溫度始終高于右端；A區(qū)的最終溫度低于M區(qū)，溫度仍較高，而A區(qū)溫度太高，容易導(dǎo)致A區(qū)的脹形、失穩(wěn)等問題。因此，必須對溫度場進(jìn)行控制。

使用灰鐵100作為冷鐵，并將整個(gè)A區(qū)充滿，可以得到更加合理的溫度場。冷鐵具有如下作用：一是冷鐵能降低A區(qū)電流密度，使A區(qū)產(chǎn)生較少的熱量；二是A區(qū)將與冷鐵發(fā)生熱傳導(dǎo)，能顯著降低A區(qū)溫度。另外，使用功率為1000W的鼓風(fēng)機(jī)對A區(qū)外側(cè)大量通風(fēng)，使A區(qū)溫度進(jìn)一步降低。如圖4所示，溫度場得到有效控制，M區(qū)溫度在600～800℃變化時(shí)，A區(qū)溫度穩(wěn)定在400℃左右。

圖1 成形裝置及測溫區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of forming apparatus and temperature measurement area

圖2 500A電流下空管C區(qū)升溫圖Fig.2 Temperature-rise diagram of tube's C zone under 500A current

圖3 500A電流下空管M區(qū)和A區(qū)的升溫對比Fig.3 Temperature-rise comparison of tube's M zone and A zone under 500A current

當(dāng)加載不同電流強(qiáng)度時(shí)，管材升溫如圖5所示?？梢钥闯?，隨著加載電流的增加，溫度上升速率逐漸提高，并且平衡時(shí)的溫度也隨著電流強(qiáng)度的增加而升高。

圖4 控制溫度場后M區(qū)和A區(qū)的升溫對比Fig.4 Temperature-rise comparison of M zone and A zone after controlling temperature field

圖5 5個(gè)不同電流載荷下升溫曲線Fig.5 Temperature-rise curves under five different currents

2 波紋管成形模擬

2.1 Abaqus幾何建模并劃分網(wǎng)絡(luò)

鈦合金波紋管成形時(shí)，管材受內(nèi)壓力和軸向壓力作用，加載方式對波紋管的成形質(zhì)量至關(guān)重要。因此，需要通過模擬得到較佳的成形參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)試驗(yàn)進(jìn)行，并成形出質(zhì)量較好的、壁厚均勻的波紋管。

首先，根據(jù)管材尺寸和模具尺寸，建立幾何模型。

然后，根據(jù)前面分析所得的溫度場，把中間部分的M區(qū)控制在較高的溫度，而A區(qū)控制在較低的溫度。當(dāng)管材的加載電流為550A時(shí)，其M區(qū)平衡溫度為650℃，且M區(qū)處于650℃時(shí)，有利于氣脹成形，故選取650℃為M區(qū)溫度。而邊緣白色區(qū)域?yàn)閭髁^(qū)，由圖4可以看出，當(dāng)M區(qū)為650℃時(shí)，A區(qū)穩(wěn)定在400℃。所以在模擬時(shí)，管材被分為兩部分，如圖6所示，即中間紅色區(qū)域和邊緣白色區(qū)域，將紅色區(qū)域的性能定義為管材在650℃時(shí)的性能，白色區(qū)域的性能定義為管材在400℃的性能。

隨后把管材劃分為一定數(shù)量的六面體單元，固定陶瓷模具的位置，并將其設(shè)置為剛體；設(shè)定成形時(shí)間；設(shè)定管材與模具的摩擦系數(shù)；對管材兩端施加軸向力，由于實(shí)際過程中壓頭速率不穩(wěn)定，故不設(shè)置固定的進(jìn)給速度；對管材內(nèi)部施加載荷。所有設(shè)置結(jié)束后，管材模擬圖如圖7所示。

2.2 模擬結(jié)果及分析

圖6 對管材的分段定義Fig.6 Segment definition of tube

圖7 網(wǎng)格劃分安裝好后的模擬示意圖Fig.7 Schematic diagram of assembled model after meshing

圖8 純脹形下的模擬效果圖Fig.8 Simulation diagram under pure bulging

純脹形的模擬效果圖如圖8所示，此時(shí)內(nèi)壓力為6MPa，無軸向進(jìn)給補(bǔ)料?？梢钥闯觯琈區(qū)脹形非常小，通過測量壁厚，發(fā)現(xiàn)中間區(qū)的減薄最明顯。因?yàn)樘沾赡＞叩牟y寬度較小，再減去管材壁厚之后，實(shí)際得到的波紋管十分狹窄，所以，只使用脹形、忽略軸向進(jìn)給不能成形出較佳的波紋管。

通過對軸向力、內(nèi)壓力以及振幅的調(diào)試，最終得到了較佳的模擬結(jié)果，如圖9所示。可見，應(yīng)變最大區(qū)域?yàn)椴y管波峰處。

首先，設(shè)置內(nèi)壓為4MPa，無軸向推力，使管材成形區(qū)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，即管材在各層模具之間部分微微鼓起，如圖10所示，初波的作用是防止在后續(xù)補(bǔ)料過程中，兩端的補(bǔ)料不能順利補(bǔ)到相應(yīng)區(qū)域。

然后，提供600N的軸向壓力，并緩慢增大內(nèi)壓，使補(bǔ)料可以很好地填充到波紋里，如圖11所示；繼續(xù)加壓至8MPa保壓，并逐步減小軸向壓力，停止軸向補(bǔ)料，保壓一段時(shí)間，得到最終的成形結(jié)果。

圖12與圖13展現(xiàn)了測試后波紋管壁厚的減薄情況?？梢钥闯?，受到軸向加載的管材先貼緊遠(yuǎn)離中心波谷一側(cè)，然后脹形貼模。所以波紋最中心處減薄較輕，而遠(yuǎn)離中心波谷一側(cè)區(qū)域的減薄最嚴(yán)重。

通過模擬，可以得到一個(gè)較佳的管材進(jìn)給量，進(jìn)給量合適與否，直接影響到波紋的成形質(zhì)量，進(jìn)給量太大易使波紋起皺，進(jìn)給量太小易導(dǎo)致波紋沒有完全成形。在實(shí)際過程中進(jìn)行微調(diào)，可以得到最佳的進(jìn)給量。

圖9 合理的補(bǔ)料和內(nèi)壓作用下的模擬結(jié)果Fig.9 Simulation result under rational feeding and internal pressure

圖10 初波及應(yīng)力分布（4MPa）Fig.10 Initial ripples and stress distribution under 4MPa

圖11 后續(xù)貼模情況Fig.11 Contact situation in feeding

圖12 壁厚分布測試點(diǎn)Fig.12 Test points of wall thickness distribution

3 理想的波紋管

經(jīng)過模擬和試驗(yàn)對進(jìn)補(bǔ)量、保溫保壓時(shí)間、軸向加載力和內(nèi)壓大小等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了成形較佳件，如圖14所示。

圖13 壁厚減薄率曲線Fig.13 Curve of wall thickness reduction rate

圖14 成形較佳件Fig.14 Good-quality forming part

4 結(jié)論

利用紅外測溫儀觀察到不適宜的溫度場，然后采取措施，對管材的溫度場進(jìn)行調(diào)控；模擬在不同溫度下的波紋管升溫和成形過程，最終得到最佳的電流載荷和溫度場。通過控制管材的溫度場，有效地提高了波紋管的質(zhì)量，且易于調(diào)整不同波紋管的成形參數(shù)。通過模擬波紋管成形，得到了波紋管壁厚減薄情況，即中心波谷減薄最輕，遠(yuǎn)離中心波谷一側(cè)減薄最重。

通過對波紋管成形過程的模擬，可以預(yù)測試驗(yàn)中波紋管可能出現(xiàn)的屈服、起皺、脹裂等缺陷。模擬得到加載方式、補(bǔ)料大小等試驗(yàn)參數(shù)，對試驗(yàn)具有參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李富科,金軍.波形膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)[J].石油工程建設(shè),2004,30(1): 27-30.

LI Fuke,JIN Jun.Design of waveform expansion joint[J].Petroleum Engineering Construction,2004,30(1):27-30.

[2]SUBRAMANIAN G,RAGHUNANDAN C.On improving the fatigue life of U-form bellow[J].Journal of Materials Processing Technology,1994,41(1):105-114.

[3]荊留紀(jì),姜曉東.波紋管機(jī)械密封的應(yīng)用[J].一重技術(shù),2002 (4):76-77.

JING Liuji,JIANG Xiaodong.Application of bellows mechanical seal[J].CFHI Technology,2002(4):76-77.

[4]楊寶亮,王汝美.焊接金屬波紋管機(jī)械密封的應(yīng)用與存在的問題[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2002,23(5):64-66.

YANG Baoliang,WANG Rumei.Application and existing problems of welding metal bellows mechanical seal[J].Petro-Chemical Equipment,2002,23(5):64-66.

[5]FARAJI G,HASHEMI R,MASHHADI M M,et al.Hydroforming limits in metal bellows forming process[J].Materials & Manufacturing Processes,2010,25(12):1413-1417.

[6]徐開先.波紋管類組件的制造及其應(yīng)用[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

XU Kaixian.Manufacture and application of bellows type assembly[M].Beijing: China Machine Press,1998.

[7]康學(xué)勤,孫智.供熱管道不銹鋼波紋管膨脹節(jié)失效分析[J].壓力容器,2007,24(8):38-42.

KANG Xueqing,SUN Zhi.Failure analysis of expansion joint of heating pipeline stainless steel bellows[J].Pressure Vessel Technology,2007,24(8):38-42.

[8]余百年.波形膨脹節(jié)用新材料——B315鋼[J].壓力容器,1997,14(1)：29-32,46 .

YU Bainian.B315—The new material of corrugated expansion joint[J].Pressure Vessel Technology,1997,14(1):29-32,46.

[9]SUN Q Y,GU H C.Tensile and low-cycle fatigue behavior of commercially pure titanium and Ti-5Al-2.5Sn alloy at 293 and 77K[J].Materials Science and Engineering: A,2001,316(1-2): 80-86.

[10]王剛,陳軍,張凱鋒,等.鈦及鈦合金波紋管的成形方法和應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2005,22(10)：51-53.

WANG Gang,CHEN Jun,ZHANG Kaifeng,et al.Forming method and application of titanium and titanium alloy corrugated pipe[J].Journal of Machine Design,2005,22(10):51-53.

[11]姚啟明,李雙壽,李而立,等.客車鎂合金管材電阻加熱彎曲工藝[J].輕合金加工技術(shù),2005(8): 48-51.

YAO Qiming,LI Shuangshou,LI Erli,et al.Magnesium alloy tube resistance heating bending process for passenger car[J].Light Alloy Fabrication Technology,2005(8):48-51.

[12]徐先澤,肖雅靜,時(shí)千峰.感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代零部件,2010(3): 62-63.

XU Xianze,XIAO Yajing,SHI Qianfeng.Application and development of induction heating technology[J].Modern Components,2010(3): 62-63.

[13]門正興,周杰,王夢寒,等.電阻直接加熱鍛造成形工藝方法及試驗(yàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(9): 67-72.

MEN Zhengxing,ZHOU Jie,WANG Menghan,et al.Method and experiment of direct heating forging forming process[J].Journal of Chongqing University,2011,34(9):67-72.