钛合金波纹管的应用与制造

文／彭威·广州市吉峰金属塑胶制品有限公司

导 语

钛合金波纹管因具有质量轻、强度高、无磁性及高耐腐蚀性等优点而被广泛应用于尖端领域。本中针对钛合金波纹管产品，阐述其常用的成形制造方法和焊接方法，并对其应用领域进行相应的归纳。

波纹管是受热管道、设备热补偿、抗振缓冲、管道安装误差补偿的关键部件，随着我国军事装备以及电力化工等领域的迅猛发展，对设备部件的服役环境愈加苛刻，除需要波纹管自身减重外，还要求波纹管本身能够耐海水及海洋环境腐蚀等。由于钛合金拥有较好的综合力学性能，还兼具有较强的耐腐蚀性能，近年来钛合金波纹管（图1）在海洋装备、航空航天、核工业、电力、化工等领域的应用日益广泛，需求也在逐年增加。但是，由于钛合金采购成本较高以及其自身的弹性模量低、变形回弹大、形变强化率高等冷加工成形特点，限制了钛合金波纹管的生产精度和效率。目前，国内外的钛合金波纹管研究较少，而本文对钛合金波纹管的成形方法及应用领域和前景等方面进行了相应的阐述，以期为进一步的开发与应用提供一定的参考依据。

图1 钛合金波纹管

钛合金波纹管的材料

钛在工业上的应用主要分为两类:纯钛和钛合金。钛及钛合金耐腐蚀性能较好，相比传统奥氏体不锈钢钛及其合金在含有氧化性、氯离子及碱液的介质中表现出更高的耐腐蚀性能。工业纯钛具有较好的塑性和低温性能，但其强度较低，一般在退火状态下其抗拉强度为350MPa ～700MPa，钛的线膨胀系数和热导率均较小，焊接性能良好。

在常规钛质波纹管加工制造中往往需要波形材料自身具有较高的伸长率，在钛及钛合金中仅工业纯钛在常温下能达到30%以上，具有液压成形性，因此，目前常采用纯钛作为波纹管的主选材质。在纯钛中TA2在具有较高强度的同时兼具较好的延伸率，是钛质波纹管的常用材料。对于钛合金材料来讲，由于比强度大，综合性能优越，同时其具有较为优良的耐腐蚀韧性和耐热性，最初是在航空中得到应用。但限于钛合金屈强比较高、冷加工回弹大、形变强化率高的特点，在室温下无法进行波纹管成形，只能通过将其加热至高温状态下，利用其超塑性的特点进行成形。从目前的研究水平来看，常规的钛及钛合金均能够实现不同程度的超塑性，其中α+β钛合金的超塑性最佳，比如TC4在高温下其延伸率可达到100%，因此对于高比强度的钛合金波纹管，TC4的抗拉强可达到900MPa，可以认为是较为理想的材料。

钛合金波纹管的成形方法

波纹管的成形方法有多种，适用于奥氏体不锈钢波纹管的成形方法也同样适用于钛合金波纹管的制造。目前针对钛合金波纹管的成形方法主要有以下6种。

液压成形

液压成形是大多数波纹管成形的常用方法，也适合用于纯钛合金波纹管的液压成形加工。液压法是利用油压或者其他类似设备通过对管坯中介质进行施压，然后在外部成形模具的约束下进行胀形，最后得到规定尺寸波纹管的方法。液压成形具有管坯受压均匀、减薄量适中的特点。对于特殊结构的波纹管可以采用分步多次液压成形方法。

滚压成形

滚压成形是预先将管坯置于成形机内，然后利用工作轮旋转后与管坯产生摩擦力来带动整个管坯旋转，之后工作轮与整形轮协调配合运动压制出U形波纹。滚压成形效率相对较低，常用于加工直径较大的波纹管。近年来也有部分企业利用此原理进行直径小于100mm波纹管的成形。

旋压成形

旋压成形主要用于钛质螺旋波纹管的生产。相比其他成形方法，旋压模具相对复杂，分别为工作模片和隔片。旋压成形中模片和隔片相互旋转并挤压管坯形成螺旋形波纹管。对于直径较小（50mm以内）的波纹管常采用此方法进行生产。

胀压成形

胀压成形方法需要在管坯内预先放置多瓣的圆形内模，通过置于内模中央的锥体在向下运动后产生的侧压力而使管坯受胀形成波纹，锥体在上行后模块依靠弹簧力进行复位。但是液压成形、滚压成形、旋压成形及胀压成形均属于冷加工方法，只适用于成形塑性较好的纯钛合金波纹管。

焊接成形

焊接成形常用于无法采用液压成形的波纹管的制造，该方法是通过精密焊接技术把多个薄环状模片内外边缘交替焊接而成的带横向波纹的钛质波纹管。焊接波纹管的壁厚和其他波形尺寸相比其他方法易于控制，因此常用于精密型波纹管的制造。焊接波纹管补偿量较大，甚至能达到波纹管全长的80%，但其承压裕度较小，制造成本高，常用于低压下非标尺寸且补偿量大的钛质波纹管。焊接方法一般使用激光焊或者微束等离子弧焊。

超塑成形

超塑成形是利用钛合金高温下的超塑性而形成波深参数较大的钛合金波纹管。此种方法制造波纹管的直径大小主要取决于超塑性成形机的能力，直径范围一般在50～800mm。超塑性成形过程相对复杂，需要超塑气压胀形和轴向加载的协同作用，成形主要有以下三个阶段：(1)胀形阶段:首先在管坯内充入氩气，通过气压使管坯产生一定的塑性变形，从而实现预置的中间模块在筒体上固定。(2)合模阶段:随后压力机对各模块进行压合。(3)充满阶段:压力机继续施压并保压，使波纹管的波形部分全部贴紧模具。该方法下的波纹管尺寸精确、残余应力小，但成形过程能耗较多，工件壁厚不易均匀。

钛合金波纹管的焊接加工

钛合金波纹管加工制造主要有三处承压关键焊缝，即管坯纵缝、波纹管成形后与左右端管的连接焊缝。图2为钛合金波纹管的连接焊缝，图3为钛合金波纹管的管坯纵焊缝，图4为钛合金波纹管的两端法兰连接焊缝。

图2 钛合金波纹管的连接焊缝

图3 钛合金波纹管的管坯纵焊缝

图4 钛合金波纹管的两端法兰连接焊缝

对于小尺寸的波纹管的管坯纵缝，在波纹管成形时可选取无缝管进行压力成形制造，避免由焊接热影响带来的母材及焊缝韧性的降低。尤其是在大直径的波纹管焊接制造中，波纹管成形前的管坯需要采用板材卷圆之后焊接而成，因此要求管坯的纵缝要有良好的综合力学性能。波纹管与左右端管的连接工程上常采用钨极氩弧焊进行焊接，这主要是由于钨极氩弧焊具有较好的工程适用性，焊接工艺窗口较为宽泛，焊接热输入较小且焊接质量相对稳定，焊接成本较低，是大多数波纹管制造商选择的焊接方法。对于管坯的纵焊缝来讲，由于管坯焊接之后需要进行压力成形，变形较大，因此需要次焊缝在具有良好强度的同时兼具有较好的韧性和一定的延伸量，因此管坯的纵缝焊接是波纹管制造过程中最为关键的工序。

钨极氩弧焊

钨极氩弧焊由于具有热源相对稳定、焊接过程易操作，同时设备采购成本较低等特点是企业焊接纯钛合金波纹管管坯的常用焊接方法，其焊接质量一般优于手工电弧焊和熔化极气体保护焊。但钨极氩孤焊由于焊接电弧较宽，焊接热源分布较为分散，在焊接过程中往往会造成焊接热影响区晶粒的过度长大，造成塑性和强度的降低，焊接热源的分散也为焊接过程的保护带来困难，因此对于需变形率较大的波纹管采用钨极氩弧焊进行纵缝焊接往往不能带来理想的效果，同时采用钨极氩弧焊焊接钛合金时也会造成钛合金自身超塑性的消失，导致高强钛合金波纹管无法成形制造。

等离子弧焊

等离子弧焊与钨极氩孤焊均属于非熔化极气体保护电弧焊，但与钨极氩弧焊不同之处在于其通过添加喷嘴对电弧起到了压缩及约束效应。相比钨极氩弧焊，等离子弧焊通过电弧压缩效应具备能量更为集中的焊接热源，非常适用于钛合金的焊接。钛质波纹管管坯较薄，在焊接过程中往往采用熔透型方式进行焊接。由于等离子弧焊接电弧能量集中，焊接过程中焊缝及焊接热影响区较窄，晶粒粗化不明显，促使等离子弧焊缝具有良好的综合力学性能，且使用等离子弧焊焊接钛合金后仍会保留原材料的超塑性。相比激光焊和电子束焊，等离子成本较低，是焊接变形曲率较大波纹管的理想经济的焊接方法。国内已经有学者研究使用等离子对TC4管坯进行了焊接，使用超塑成形工艺对其进行成形，试验结果表明，等离子焊缝在927℃下具有良好的超塑性，并成功制造了高强TC4材料的U形波纹管。

电子束焊

电子束焊是钛合金焊接的理想方法，在焊接过后焊接接头仍然具有超塑特性。这主要是由于电子束热源的高度集中，在焊接过程中焊缝较窄，冷却速率较快促使其焊缝及热影响区组织具有较小的晶粒组织，因此焊接接头具有良好的综合力学性能;由于焊接过程在真空室进行，因此焊缝和焊接热影响区不会被空气玷污，焊后性能要远高于其他的焊接方法。但由于电子束焊接热源高度集中，因此其对焊接装配间隙及错边要求较高，焊缝与母材过渡不平滑，在波纹管成形时容易在焊趾处造成局部的应力集中，导致成形失败，真空室的大小也会给波纹管的尺寸带来一定的限制。

激光焊

激光焊的能量密度与电子束焊相当，但相比电子束焊，激光焊最大的特点是能够在大气中进行焊接，并能够获得与电子束焊相类似的组织。其与电子束焊接相同，焊前对工件的装配间隙及错边有很高的要求，焊接工艺窗口较窄，在焊接钛质管坯时常采用熔透式进行焊接。国内已经有学者研究使用激光焊对TC4材料进行了焊接，并考察其焊接接头超塑性能，试验结果表明其焊缝组织为细晶针状马氏体组织，在超塑性成形过程中向α条状α+β组织转变，焊缝最大延伸率达到154%，且最大膨胀量约为母模的1.54倍。

结束语

虽然钛合金波纹管与不锈钢、镍基合金波纹管相比造价较高，但其使用寿命却可达常规材料波纹管的数倍，从长远和综合经济效益来看，钛质波纹管具有可观的应用前景。目前，由于材料成本和制造成本的问题，钛合金波纹管多数用在航空航天、船舰工业和高能物理等高科技行业，化工、炼油、电力和医疗等行业使用较少，同时受制造技术的不足以及设计依据较少，比如成形方法的工程应用性、钛合金波纹管在耐腐蚀及循环应力下的疲劳寿命及复杂尺寸的波纹管设计等问题均限制了钛质波纹管的推广应用。部分企业为节约成本，管路选择常规的碳钢-钛复合板或不锈钢，补偿器材料选择钛材，但钛与常规材料的异种金属连接问题也缺少可靠实用的工程连接技术，尤其是对于受结构尺寸限制无法用法兰连接的结构，异种材料的焊接也是亟待解决的问题。不过可以预见，随着制造技术的发展及综合考虑生产制造成本的降低，钛合金波纹管会有越来越广泛的应用前景。