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、制造必須符合相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準。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)工藝和過程控制。

1、技術(shù)要求

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

(2)波紋管對接焊縫必須進行100％射線探傷，按JB／T4730.2-2005中Ⅱ級執(zhí)行。

(3)成型后的對接焊縫必須進行100％液體滲透，評定按JB／T4730.5-2005中I級執(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。對原材料(TA9)試樣進行化學(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，得到退火狀態(tài)3mm厚TA9板材橫向室溫力學(xué)性能：抗拉強度σb=520N／mm²，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σb0.2=265N／mm，伸長率σ5=32％。

(3)彎曲性能。原材料彎曲性能試驗，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，得到坯料周向尺寸及波紋展開尺寸。根據(jù)TA9材料特性，波紋管液壓成型時波紋部位的拉伸依靠周圍材料進行補充，故需相應(yīng)加長波紋展開尺寸。按經(jīng)驗公式L(波紋成型長度)=1.04×[波數(shù)×(0.5708~波距+2×波高)]計算，得到坯料尺寸為1011×400mm(其中波紋成型長度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)采取保護措施，以免受空氣中的氣體污染。圓筒形坯料采用上下保護盒進行氬氣保護后焊接。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，避免液壓成型過程中出現(xiàn)開裂，退火還可降低材料強度，提高材料塑性。為減少熱處理過程中各種氣體對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)計采取多波一次成形工藝。

(1)液壓成型過程。波紋管液成型分兩個階段，第一階段管材在管內(nèi)液體壓力作用下進行約束脹形，脹形程度較小，使各個成形中間模板定位。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)點是容易得到較高的壓力，而且壓力作用均勻，控制相對容易，所得工件表面光滑，質(zhì)量好；缺點是成形裝置需要嚴格密封，以防脹形時達不到脹形壓力和液體泄漏。

(3)壓力計算。波紋管液壓成形時的成形力主要是脹形時液體單位壓力P和軸向壓縮力P。在計算脹形壓力P時，為簡化計算只考慮脹形時圓周方向拉應(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)帶進行分析，從圖3所示半圓環(huán)的受力平衡條件可得簡化后的脹形壓力計算式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，計算時可用σd代替σB，得脹形壓力計算式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(實測厚度3．1mm)，計算得出成形所需要的內(nèi)壓為10.1MPa。

(4)壓制過程控制。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，具有屈服強度較高、屈服比大、伸長率和斷面收縮率較低、具有各向異性、對變形速度敏感、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，目前尚未取得較準確的補償計算公式。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，各項檢驗結(jié)果均達到標(biāo)準要求。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，做好各工序的過程控制，液壓成型TA9材料波紋管可以實現(xiàn)設(shè)計使用要求。

參考文獻

[1]黃嘉琥，應(yīng)道宴．鈦制化工設(shè)備[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[2]GB16749--1997，壓力容器波形膨脹節(jié)[S]

[3]樊東黎，徐躍明，佟曉輝．熱處理工程師手冊[M]，北京：機械工業(yè)出版社。2011．