TA9钛波纹管液压成型工艺

引言

压力元件波纹管的安全使用要求较高，设计、制造必须符合相关的技术标准。由于钛材本身具有较高的化学活性和特殊的物理、力学性能，制造钛材波纹管与使用其他常用金属材料相比，需要采用特殊的生产工艺和过程控制。

1、技术要求

(1)TA9材料波纹管的设计、制造、检验按GB16749-1997执行。

(2)波纹管对接焊缝必须进行100％射线探伤，按JB／T4730.2-2005中Ⅱ级执行。

(3)成型后的对接焊缝必须进行100％液体渗透，评定按JB／T4730.5-2005中I级执行。

(4)波纹管表面不允许有划伤及明显的凹凸不平和大于钢板厚度负偏差的划伤及焊接飞溅等其他缺陷，允许轻微的成型分型面痕迹。波纹管截面如图1所示

2、化学成分及力学性能

(1)材料成分。对原材料(TA9)试样进行化学分析，主要成分中Pd含量0.18％，杂质中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)力学性能。原材料试样力学性能试验，得到退火状态3mm厚TA9板材横向室温力学性能：抗拉强度σb=520N／mm²，规定残余伸长应力σb0.2=265N／mm，伸长率σ5=32％。

(3)弯曲性能。原材料弯曲性能试验，得到退火状态3mm厚TA9板材弯曲角α=167°。

3、下料尺寸

按照管坯中性层展开，得到坯料周向尺寸及波纹展开尺寸。根据TA9材料特性，波纹管液压成型时波纹部位的拉伸依靠周围材料进行补充，故需相应加长波纹展开尺寸。按经验公式L(波纹成型长度)=1.04×[波数×(0.5708~波距+2×波高)]计算，得到坯料尺寸为1011×400mm(其中波纹成型长度350mm，考虑到模具厚度90mm，故坯料尺寸定为400mm)。

4、焊接及热处理

(1)焊接。采用氩弧焊方式焊接。焊接熔池以及>400℃的热影响区采取保护措施，以免受空气中的气体污染。圆筒形坯料采用上下保护盒进行氩气保护后焊接。焊接前清理焊接坡口表面。

(2)热处理。去应力退火处理以消除TA9材料在焊接中产生的内应力，避免液压成型过程中出现开裂，退火还可降低材料强度，提高材料塑性。为减少热处理过程中各种气体对TA9材料表面的污染，退火选择下限温度，在坯料表面涂刷防氧化涂料。热处理工艺曲线见图2。

5、液压成型

液压成型是目前最常用的金属波纹管制造方法，成形方式分单波连续成形和多波一次成形。本设计采取多波一次成形工艺。

(1)液压成型过程。波纹管液成型分两个阶段，第一阶段管材在管内液体压力作用下进行约束胀形，胀形程度较小，使各个成形中间模板定位。第二阶段在管材内液体压力稳定并等于胀形压力的情况下，施加轴向力，管材在轴向力和内压力作用下轴向压缩胀形，制成金属波纹管。采用轴向压缩胀形，使胀形区的应力、应变状态得到改善，有利于塑性变形，提高胀形系数。

(2)压力控制。成形第二阶段的胀形压力必须稳定，压力值等于约束胀形时的压力值。如果胀形压力值较大，则坯料破裂。

如果胀形压力过小，则形成瘪波。液压成形波纹管的尺寸和形状依成形凹模可成各种波形。液压成形与其他胀形方式相比，优点是容易得到较高的压力，而且压力作用均匀，控制相对容易，所得工件表面光滑，质量好；缺点是成形装置需要严格密封，以防胀形时达不到胀形压力和液体泄漏。

(3)压力计算。波纹管液压成形时的成形力主要是胀形时液体单位压力P和轴向压缩力P。在计算胀形压力P时，为简化计算只考虑胀形时圆周方向拉应力σ1，，忽略较小的母线方向的拉应力σ2取变形区内一圆环带进行分析，从图3所示半圆环的受力平衡条件可得简化后的胀形压力计算式p=2tσ1/d。材料塑性变形的条件是σ1≥σB，考虑到材料加工硬化的影响，计算时可用σd代替σB，得胀形压力计算式p=2tσb/d ，式中t是管壁壁厚mm)，d是波纹管内径(mm)，σb是材料强度极限(MPa)。轴向压缩力P=p×F，式中F是波纹管有效面积。根据所用板材的厚度(实测厚度3．1mm)，计算得出成形所需要的内压为10.1MPa。

(4)压制过程控制。钛及钛合金材料的压力加工与碳钢、不锈钢等常用金属相比，具有屈服强度较高、屈服比大、伸长率和断面收缩率较低、具有各向异性、对变形速度敏感、表面缺陷敏感及有冷加工硬化倾向等特性，冷压成型非常困难，特别是该波纹管波高是按照普通材料进行的选择，材料拉伸较大，增加了压制成型难度。因此，TA9材料只能承受变形量不大的冷成型。同时由于钛材的弹性模量小，冷加工回弹量大，目前尚未取得较准确的补偿计算公式。加工变形量较大的波纹管，为恢复波高拉伸后的塑性，防止产生裂纹(特别是焊缝及影响区部分)，必须采用分段压制并进行退火处理。

6、压制结果

采用上述工艺制作的TA9材料波纹管，各项检验结果均达到标准要求。TA9材料波纹管的液压成型，焊接与热处理是工艺的关键。尽管钛材因其特性导致冷压成型困难，但只要根据材料特性制定相应的成型工艺，做好各工序的过程控制，液压成型TA9材料波纹管可以实现设计使用要求。

参考文献

[1]黄嘉琥，应道宴．钛制化工设备[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[2]GB16749--1997，压力容器波形膨胀节[S]

[3]樊东黎，徐跃明，佟晓辉．热处理工程师手册[M]，北京：机械工业出版社。2011．