TA9鈦波紋管液壓成型工藝

引言

壓力元件波紋管的安全使用要求較高，設(shè)計(jì)、制造必須符合相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于鈦材本身具有較高的化學(xué)活性和特殊的物理、力學(xué)性能，制造鈦材波紋管與使用其他常用金屬材料相比，需要采用特殊的生產(chǎn)工藝和過(guò)程控制。

1、技術(shù)要求

(1)TA9材料波紋管的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)按GB16749-1997執(zhí)行。

(2)波紋管對(duì)接焊縫必須進(jìn)行100％射線探傷，按JB／T4730.2-2005中Ⅱ級(jí)執(zhí)行。

(3)成型后的對(duì)接焊縫必須進(jìn)行100％液體滲透，評(píng)定按JB／T4730.5-2005中I級(jí)執(zhí)行。

(4)波紋管表面不允許有劃傷及明顯的凹凸不平和大于鋼板厚度負(fù)偏差的劃傷及焊接飛濺等其他缺陷，允許輕微的成型分型面痕跡。波紋管截面如圖1所示

2、化學(xué)成分及力學(xué)性能

(1)材料成分。對(duì)原材料(TA9)試樣進(jìn)行化學(xué)分析，主要成分中Pd含量0.18％，雜質(zhì)中Fe含量0.18％，C含量0.07％，N含量0.01％，H含量0.005％，0含量0.1％。

(2)力學(xué)性能。原材料試樣力學(xué)性能試驗(yàn)，得到退火狀態(tài)3mm厚TA9板材橫向室溫力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度σb=520N／mm²，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σb0.2=265N／mm，伸長(zhǎng)率σ5=32％。

(3)彎曲性能。原材料彎曲性能試驗(yàn)，得到退火狀態(tài)3mm厚TA9板材彎曲角α=167°。

3、下料尺寸

按照管坯中性層展開(kāi)，得到坯料周向尺寸及波紋展開(kāi)尺寸。根據(jù)TA9材料特性，波紋管液壓成型時(shí)波紋部位的拉伸依靠周圍材料進(jìn)行補(bǔ)充，故需相應(yīng)加長(zhǎng)波紋展開(kāi)尺寸。按經(jīng)驗(yàn)公式L(波紋成型長(zhǎng)度)=1.04×[波數(shù)×(0.5708~波距+2×波高)]計(jì)算，得到坯料尺寸為1011×400mm(其中波紋成型長(zhǎng)度350mm，考慮到模具厚度90mm，故坯料尺寸定為400mm)。

4、焊接及熱處理

(1)焊接。采用氬弧焊方式焊接。焊接熔池以及>400℃的熱影響區(qū)采取保護(hù)措施，以免受空氣中的氣體污染。圓筒形坯料采用上下保護(hù)盒進(jìn)行氬氣保護(hù)后焊接。焊接前清理焊接坡口表面。

(2)熱處理。去應(yīng)力退火處理以消除TA9材料在焊接中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免液壓成型過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂，退火還可降低材料強(qiáng)度，提高材料塑性。為減少熱處理過(guò)程中各種氣體對(duì)TA9材料表面的污染，退火選擇下限溫度，在坯料表面涂刷防氧化涂料。熱處理工藝曲線見(jiàn)圖2。

5、液壓成型

液壓成型是目前最常用的金屬波紋管制造方法，成形方式分單波連續(xù)成形和多波一次成形。本設(shè)計(jì)采取多波一次成形工藝。

(1)液壓成型過(guò)程。波紋管液成型分兩個(gè)階段，第一階段管材在管內(nèi)液體壓力作用下進(jìn)行約束脹形，脹形程度較小，使各個(gè)成形中間模板定位。第二階段在管材內(nèi)液體壓力穩(wěn)定并等于脹形壓力的情況下，施加軸向力，管材在軸向力和內(nèi)壓力作用下軸向壓縮脹形，制成金屬波紋管。采用軸向壓縮脹形，使脹形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)得到改善，有利于塑性變形，提高脹形系數(shù)。

(2)壓力控制。成形第二階段的脹形壓力必須穩(wěn)定，壓力值等于約束脹形時(shí)的壓力值。如果脹形壓力值較大，則坯料破裂。

如果脹形壓力過(guò)小，則形成癟波。液壓成形波紋管的尺寸和形狀依成形凹模可成各種波形。液壓成形與其他脹形方式相比，優(yōu)點(diǎn)是容易得到較高的壓力，而且壓力作用均勻，控制相對(duì)容易，所得工件表面光滑，質(zhì)量好；缺點(diǎn)是成形裝置需要嚴(yán)格密封，以防脹形時(shí)達(dá)不到脹形壓力和液體泄漏。

(3)壓力計(jì)算。波紋管液壓成形時(shí)的成形力主要是脹形時(shí)液體單位壓力P和軸向壓縮力P。在計(jì)算脹形壓力P時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算只考慮脹形時(shí)圓周方向拉應(yīng)力σ1，，忽略較小的母線方向的拉應(yīng)力σ2取變形區(qū)內(nèi)一圓環(huán)帶進(jìn)行分析，從圖3所示半圓環(huán)的受力平衡條件可得簡(jiǎn)化后的脹形壓力計(jì)算式p=2tσ1/d。材料塑性變形的條件是σ1≥σB，考慮到材料加工硬化的影響，計(jì)算時(shí)可用σd代替σB，得脹形壓力計(jì)算式p=2tσb/d ，式中t是管壁壁厚mm)，d是波紋管內(nèi)徑(mm)，σb是材料強(qiáng)度極限(MPa)。軸向壓縮力P=p×F，式中F是波紋管有效面積。根據(jù)所用板材的厚度(實(shí)測(cè)厚度3．1mm)，計(jì)算得出成形所需要的內(nèi)壓為10.1MPa。

(4)壓制過(guò)程控制。鈦及鈦合金材料的壓力加工與碳鋼、不銹鋼等常用金屬相比，具有屈服強(qiáng)度較高、屈服比大、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率較低、具有各向異性、對(duì)變形速度敏感、表面缺陷敏感及有冷加工硬化傾向等特性，冷壓成型非常困難，特別是該波紋管波高是按照普通材料進(jìn)行的選擇，材料拉伸較大，增加了壓制成型難度。因此，TA9材料只能承受變形量不大的冷成型。同時(shí)由于鈦材的彈性模量小，冷加工回彈量大，目前尚未取得較準(zhǔn)確的補(bǔ)償計(jì)算公式。加工變形量較大的波紋管，為恢復(fù)波高拉伸后的塑性，防止產(chǎn)生裂紋(特別是焊縫及影響區(qū)部分)，必須采用分段壓制并進(jìn)行退火處理。

6、壓制結(jié)果

采用上述工藝制作的TA9材料波紋管，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。TA9材料波紋管的液壓成型，焊接與熱處理是工藝的關(guān)鍵。盡管鈦材因其特性導(dǎo)致冷壓成型困難，但只要根據(jù)材料特性制定相應(yīng)的成型工藝，做好各工序的過(guò)程控制，液壓成型TA9材料波紋管可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)使用要求。

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