引言

金屬波紋管作為一種帶有一定數(shù)量波紋的薄壁彈性元件，在工程上具有柔性連接、位移補(bǔ)償以及動態(tài)密封等多種功能，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、能源動力以及儀器儀表等領(lǐng)域[1]。隨著航空航天、核工業(yè)等特殊服役環(huán)境對金屬波紋管耐腐蝕性和輕量化要求的不斷提高，使得鈦合金成為制造特種金屬波紋管的優(yōu)選材料，這是由于鈦合金具有低密度、高屈強(qiáng)比、耐高溫和極端低溫且具有良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但相比于常規(guī)鎳基合金和不銹鋼材料，鈦合金原材料成本較高，導(dǎo)致目前鈦合金波紋管在國內(nèi)外的應(yīng)用仍相對較少。此外，鈦合金的成形能力較差，制造大徑厚比波紋管的成形工藝相對復(fù)雜，其原因主要表現(xiàn)在以下2個方面：首先，鈦及鈦合金的彈性模量低，僅為鋼的1/2，在室溫條件下極易發(fā)生撓曲變形，冷加工成形能力較差[4]；其次，以電輔助加熱為代表的熱成形工藝雖然能夠有效提高鈦質(zhì)薄壁波紋管的塑性成形能力，但復(fù)雜的高溫成形模具和較長的升溫過程不僅會導(dǎo)致模具和能耗成本較高，還容易導(dǎo)致材料高溫條件下的異常再結(jié)晶，這些因素都嚴(yán)重地制約著鈦合金波紋管的應(yīng)用發(fā)展和市場推廣[5]。本文基于鈦合金波紋管成形方法和應(yīng)用現(xiàn)狀，對不同類型成形方法的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了分析和對比，為鈦合金波紋管生產(chǎn)制造企業(yè)制訂合理的工藝方案、提升產(chǎn)品性價比提供依據(jù)。

1、鈦合金的材料特性

鈦和鈦合金的制備可追溯到20世紀(jì)中葉，盧森堡科學(xué)家克勞爾采用真空非自耗熔煉法對海綿鈦進(jìn)行熔煉，獲得了具有較高致密度的鈦錠。鈦合金Ti-6Al-4V具有良好的耐熱性、強(qiáng)度、塑性和韌性，占鈦合金總使用量的50％以上[6]。目前世界上已研制出的鈦合金多達(dá)數(shù)百種，已成為制造航空發(fā)動機(jī)葉片、高端設(shè)備結(jié)構(gòu)件的重要材料。

對于制造金屬波紋管的常規(guī)成形工藝而言，通常要求材料具有較高的延伸率，工業(yè)純鈦由于具有較高強(qiáng)度，同時兼具較好的延伸率，成為鈦質(zhì)波紋管制造的適用材料，可采用液壓成形或機(jī)械成形等冷成形工藝。但大多數(shù)鈦合金都屬于塑性較差的難變形材料，冷、熱成形加工方法均存在一定的弊端，這也成為限制鈦合金波紋管進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，從材料性質(zhì)的角度分析造成這一現(xiàn)象的原因可以歸納為以下方面：

（1）屈強(qiáng)比高。當(dāng)溫度低于882.5℃時，鈦合金的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，能夠啟動的滑移系數(shù)量較少，室溫和低溫下能啟動的滑移系數(shù)更少，這使得鈦合金抵抗塑性變形的能力較強(qiáng)，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度十分接近，屈強(qiáng)比通常為0.8～0.95[7]。此外，鈦合金的形變硬化指數(shù)較低，塑性變形階段材料連續(xù)均勻成形的能力較差，表現(xiàn)出較弱的形變硬化能力和較低的斷裂韌性，容易導(dǎo)致脆性斷裂。

（2）成形壓力大。鈦合金薄壁板材在軋制過程中容易形成明顯的擇優(yōu)取向，室溫條件下沿不同方向受力所激活的變形機(jī)制也各不相同，使力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。當(dāng)沿硬取向壓縮變形時，壓力機(jī)工作所需噸位大于其他方向，塑性變形需要克服更大的臨界剪切應(yīng)力。

（3）彈性模量小。鈦合金在常溫下的彈性模量為106.4GPa，僅為鋼的57％，沖壓成形后易發(fā)生回彈。

（4）彎曲性能差。薄壁鈦合金板材在液壓成形時容易產(chǎn)生失穩(wěn)起皺現(xiàn)象，當(dāng)鈦合金薄板在凸模的作用下進(jìn)行熱壓成形時，一部分材料會沿徑向補(bǔ)料，局部區(qū)域?qū)⑹艿綇较虻膲簯?yīng)力，若此時模具對鈦合金薄板的壓力不能有效地抑制徑向位移就會發(fā)生起皺，在起皺部位容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致零件破壞失效。

（5）當(dāng)熱加工溫度超過500℃時，鈦合金表面的氧化膜會發(fā)生脫落，并開始與空氣中的Ｎ、Ｈ和Ｏ等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易發(fā)生脆性斷裂[8]。

（6）薄壁鈦合金板材的平均晶粒尺寸較小，當(dāng)高溫?zé)岢尚蔚臏厣龝r間過長時會導(dǎo)致相鄰晶粒的合并生長，根據(jù)Ｈａｌｌ?Ｐａｔｃｈ公式可知，此時材料的力學(xué)性能會隨著晶粒的長大而下降。

（7）鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小，純鈦的導(dǎo)熱系數(shù)為15.2Ｗ/（ｍ·Ｋ），約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，加熱或冷卻時會在材料內(nèi)部存在較大的溫度梯度并產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)以上對鈦合金材料的性能介紹可知，鈦合金的冷成形和熱成形工藝，均存在著一些會影響產(chǎn)品質(zhì)量的不利因素。因此，提升鈦合金的成形性能和優(yōu)化成形工藝將是未來一段時間內(nèi)推動鈦合金應(yīng)用與推廣的關(guān)鍵因素。

2、鈦合金波紋管的成形方法

鈦合金波紋管的成形方法種類繁多，既有傳統(tǒng)的液壓成形、滾壓成形、旋壓成形、機(jī)械脹形以及焊接成形等方法，也有近年來興起的超塑成形、高壓水射流漸進(jìn)成形、局部熱屈曲成形和擴(kuò)散連接成形等方法。

成形方法的分類原則也多種多樣，根據(jù)工藝流程可分為單波連續(xù)成形和多波一次成形；根據(jù)成形溫度可分為熱成形和冷成形；根據(jù)是否使用模具可分為有模具成形和無模具成形。不同的成形方法有著其對應(yīng)的特點(diǎn)和適用范圍。

2.1液壓成形

液壓成形是制造金屬環(huán)形波紋管最常用的方式之一，全過程可分為脹初波、合模和卸載3個步驟（如圖1所示）[9]。成形過程初期液體介質(zhì)注入管坯加壓脹形形成初波，隨后拆除定位支撐并沿軸向壓縮直至完全合模。液壓成形法的優(yōu)點(diǎn)是管坯內(nèi)部受力均勻、壁厚分布合理，但制造大通徑鈦合金波紋管時應(yīng)綜合考慮模具的成本以及液壓成形設(shè)備的工作能力等因素。

2.2滾壓成形

滾壓成形的原理如圖2所示，滾壓成形是將薄壁管坯放置在滾壓成形機(jī)中，通過工作輪與管坯接觸面上產(chǎn)生的摩擦力帶動管坯轉(zhuǎn)動，而后通過工作輪的向下進(jìn)給逐漸形成凸起的初波。與此同時，整形輪向軸線方向運(yùn)動，在與工作輪的共同作用下能夠軋制出Ｕ型波紋[10]。采用滾壓成形的方法單次可成形多個波紋，此方法尤其適用于加工大直徑的金屬波紋管，但受限于大直徑的薄壁鈦管管坯不易獲取，因此現(xiàn)階段該方法的應(yīng)用較少。

2.3旋壓成形

旋壓成形適用于生產(chǎn)直徑較小且壁厚較厚的螺旋形波紋管，旋壓成形模具由工作膜片和隔片組成，管坯在徑向和軸向均受到擠壓并產(chǎn)生塑性變形得到波紋管。旋壓成形法一般用于生產(chǎn)小直徑鈦合金波紋管，例如，日本研究人員用該種方法生產(chǎn)直徑為9.52～28.6ｍｍ、壁厚為0.3～0.7ｍｍ、長度在6ｍ以內(nèi)的鈦合金波紋管。

2.4脹壓成形

脹壓成形的基本原理如圖3所示，在未成形的自然狀態(tài)下，壓錐在復(fù)位彈簧的支撐力作用下處于頂升狀態(tài)，模瓣復(fù)位收縮。脹形過程中，壓錐上端面垂直向下的壓力通過壓錐與模瓣相配合的斜面產(chǎn)生水平方向的分力，作用在管坯上形成波紋[11]。當(dāng)波紋成形達(dá)到預(yù)定波高后，卸載外部作用力，壓錐在模具內(nèi)部復(fù)位彈簧的頂升作用下恢復(fù)到自然狀態(tài)，模瓣隨即也恢復(fù)到自然狀態(tài)。隨著桶坯的移動，定位下一波紋成形位置后繼續(xù)成形，進(jìn)而形成具有連續(xù)波紋的波紋管。

2.5焊接成形

焊接成形是采用氬弧焊或等離子弧焊等精密焊接方法，將多個由薄板沖壓成形的環(huán)狀膜片沿內(nèi)外邊緣交替焊接而成。由于焊接波紋管的幾何尺寸容易控制，因此更適用于制作高精度波紋管[12]。采用焊接成形方法生產(chǎn)波紋管顯著的優(yōu)點(diǎn)是沿長度方向具有較大的補(bǔ)償量，最高甚至可達(dá)波紋管總長度的80％；但相比于利用無縫鈦管作為管坯經(jīng)液壓成形工藝制

成的波紋管，其承壓能力偏低且制作成本高，因此該方法多用于制造補(bǔ)償量大的低壓鈦合金波紋管。

2.6超塑成形

超塑成形是近年來興起的一種應(yīng)用于低塑性金屬材料波紋管成形的新工藝，該方法利用了鈦合金在高溫條件下具有超塑成形能力的特性。超塑成形的原理圖如圖4所示，首先將裝配好的處在密封狀態(tài)的管坯和模具裝入超塑成形機(jī)內(nèi)，利用加熱爐將鈦合金管坯加熱至超塑溫度，然后采用氣壓脹形和軸向補(bǔ)料的組合工藝完成波紋管的成形[13]。與液壓成形法相類似，成形流程也包括脹初波、合模和卸載等階段。

相比于冷加工工藝，超塑成形的優(yōu)點(diǎn)是波紋管尺寸精確、能夠有效消除殘余應(yīng)力，缺點(diǎn)是模具制造成本高、成形溫度高且能耗大。

2.7高壓水射流漸進(jìn)成形

高壓水射流漸進(jìn)成形是利用高壓水射流實(shí)現(xiàn)波紋成形的一種無模具成型工藝。其成形過程如圖5所示，高壓水射流噴嘴同軸布置于管坯內(nèi)部，噴嘴與管坯相對轉(zhuǎn)動的同時沿軸線做往復(fù)運(yùn)動形成初波，待初波形成后對兩側(cè)施加擠壓作用力來形成完整的單波結(jié)構(gòu)。通過不斷重復(fù)上述操作，即可完成波紋管的整體成形。高壓水漸進(jìn)成形涉及射流壓力、靶距、高壓噴嘴旋轉(zhuǎn)角速度和軸向壓力等多項(xiàng)控制參數(shù)，能夠在不使用模具的前提下實(shí)現(xiàn)大尺寸波形的高精度自動化連續(xù)成形，因此近年來引起了國內(nèi)業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院精密工程研究中心自主開發(fā)的數(shù)控五軸高壓水射流漸進(jìn)機(jī)床（如圖6所示）已成功應(yīng)用于不銹鋼Ｕ型波紋管的成形[14]。

2.8局部熱屈曲成形

局部熱屈曲成形是一種采用局部快速加熱（通常為感應(yīng)加熱或激光加熱）和軸向壓縮的方式來誘導(dǎo)管坯發(fā)生軸向屈曲的新型無模具成形工藝。其基本原理如圖7所示，管坯被環(huán)形熱源和冷源環(huán)繞，熱源附近局部區(qū)域溫度快速攀升使材料發(fā)生熱軟化，再通過管坯兩端運(yùn)動速度不一致（ｖ2＞ｖ1）來產(chǎn)生軸向壓力，使軟化區(qū)域向外發(fā)生軸對稱的屈曲變形，形成波紋狀輪廓。波紋成形后進(jìn)入噴氣冷卻區(qū)迅速降溫定形，當(dāng)成形下一個波紋時，已成形好的波紋不會再次發(fā)生壓縮變形。同時熱源開始加熱下一個成形區(qū)域，如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)波紋管的整體成形。相比于其他工藝，局部熱屈曲成形的特點(diǎn)在于管坯不受內(nèi)壓，制造波形的過程不受拉應(yīng)力主導(dǎo)，因此能夠最大限度地避免波峰處壁厚減薄現(xiàn)象的發(fā)生。

降低了波紋管出現(xiàn)褶皺、破裂等缺陷的概率，產(chǎn)品合格率和運(yùn)行可靠性均大幅提升。此外，局部高溫?zé)崆尚螣o需模具，配套設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，管坯局部軟化區(qū)域易發(fā)生自然屈曲，不需要施加過大的成形載荷。采用局部熱屈曲方法成形金屬波紋管的技術(shù)方案最早見文獻(xiàn)[15]。目前國內(nèi)局部熱屈曲成形波紋管制造工藝仍處于基礎(chǔ)理論研究和早期實(shí)驗(yàn)研究階段，上海交通大學(xué)模型ＣＡＤ國家工程研究中心韓先洪課題組開發(fā)了基于Ａｂａｑｕｓ的適用于局部熱屈曲成形的專用有限元分析模塊，能夠精確模擬成形過程中的感應(yīng)加熱和噴氣強(qiáng)制冷卻的過程，并通過實(shí)驗(yàn)平臺成功制造了直徑25ｍｍ、壁厚1ｍｍ的Ｕ型不銹鋼波紋管[16]。

2.9擴(kuò)散連接成形

擴(kuò)散連接法主要應(yīng)用于特殊異形結(jié)構(gòu)波紋管的制造成形，擴(kuò)散連接是能使金屬和非金屬接合都保持基材原有性能的制造工藝。該方法的原理是相互接觸的表面，在高溫高壓作用下經(jīng)一定時間實(shí)現(xiàn)結(jié)合層原子間的相互擴(kuò)散，進(jìn)而形成整體水平上的可靠連接。由于鈦合金具有良好的擴(kuò)散連接性和應(yīng)力松弛特性，因此該方法率先在航空航天Ｖ形鈦合金波紋管

的制造中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。圖8為中國航天科工三院航天特種材料及工藝技術(shù)研究所研制的Ｖ形TA15鈦合金波紋管樣件。雖然擴(kuò)散成型法對設(shè)備能力提出了較高的要求，但因其具有穩(wěn)定的工藝特性和可靠的連接效果，未來將在鈦合金與熔點(diǎn)差異較大的合金管件難于焊接的場合發(fā)揮重要的作用[17]。

3、鈦合金波紋管的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

3.1鈦合金波紋管的應(yīng)用

鈦合金波紋管主要應(yīng)用于有耐腐蝕和輕量化要求的場景，具體應(yīng)用如下：

（1）大直徑鈦合金波紋管（膨脹節(jié)）主要應(yīng)用于石油煉化行業(yè)。這是由于原油中存在大量的腐蝕性介質(zhì)，且催化裂化工藝系統(tǒng)對管件的耐溫性和強(qiáng)度都有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的不銹鋼膨脹節(jié)使用壽命較短，通常為1ａ或數(shù)月，不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而鈦合金膨脹節(jié)能夠保證高溫腐蝕環(huán)境下的使用要求，使用壽命得到大幅提高。

（2）鈦合金波紋管用于鹽廠、堿廠和化肥廠的工藝系統(tǒng)中。例如，在母液換熱器中的波紋管長期與高濃度氯離子接觸，普通不銹鋼波紋管不能滿足防腐環(huán)境下的壽命要求，而鈦合金波紋管能夠有效解決這一難題。

（3）在航空航天領(lǐng)域，鈦合金波紋管主要應(yīng)用于截止閥密封件和低溫燃料輸送系統(tǒng)的位移補(bǔ)償元件，常用的鈦合金類型為TA7ELI或TA34，因鈦合金具有密度低和屈強(qiáng)比高的顯著優(yōu)點(diǎn)，在航天結(jié)構(gòu)件輕量化領(lǐng)域具有優(yōu)勢，鈦合金所制成的波紋管在達(dá)到疲勞強(qiáng)度要求的同時能夠達(dá)到節(jié)約燃料的目的[18]。

3.2鈦合金波紋管的發(fā)展趨勢

隨著鈦合金材料的發(fā)展和特種金屬波紋管需求的不斷擴(kuò)大，鈦材質(zhì)波紋管將沿著精益化和低成本化的方向發(fā)展，產(chǎn)品成形方式和工藝穩(wěn)定性也將日趨成熟，近年來從創(chuàng)新成形工藝、仿真平臺以及材料性能等多方面的發(fā)展趨勢都可以預(yù)見，高品質(zhì)鈦合金波紋管將在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域全面取代傳統(tǒng)不銹鋼波紋管，鈦合金也將在彈性元件制造領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

（1）新工藝的持續(xù)改進(jìn)有利于鈦合金波紋管制造精度的提高。隨著超塑成形、高壓水射流漸進(jìn)成形、局部熱屈曲成形、擴(kuò)散連接成形等新工藝的不斷優(yōu)化，鈦合金波紋管的成形方法在未來會呈現(xiàn)出更加明顯的多元化的特征。成形效率更高、模具和能耗成本更低的高性價比工藝將成為未來的發(fā)展趨勢。

（2）有限元分析軟件的應(yīng)用有利于鈦合金波紋管的控形控性。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件求解耦合場和非線性問題的能力逐漸增強(qiáng)，應(yīng)用有限元分析軟件可以獲得鈦合金波紋管成形過程不同階段應(yīng)力和變形的數(shù)值解，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的控形控性提供依據(jù)，能夠通過仿真結(jié)果后處理直觀地對比不同模具結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)備參數(shù)對波紋管制造精度的影響。

（3）新種類鈦合金材料的研發(fā)將有利于促進(jìn)鈦合金波紋管的應(yīng)用與普及。我國經(jīng)過了數(shù)十年持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)，近年來已在新型鈦合金低溫超塑板材和短時高溫鈦合金超塑板材的研發(fā)領(lǐng)域取得重大突破[19]。

新型薄壁超塑鈦合金板材的平均晶粒尺寸約為0.5～1μｍ，冷熱加工方式下的塑性變形能力均明顯提升，波紋管的成形工藝難度降低，更高的勞動生產(chǎn)率和成品合格率也推動了鈦合金波紋管在更多行業(yè)的應(yīng)用和普及。

4、結(jié)束語

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性，已成為制造特種金屬波紋管的優(yōu)選材料。雖然鈦合金波紋管的原材料采購成本明顯高于傳統(tǒng)鎳基合金和不銹鋼波紋管，但鈦合金波紋管安全性更高、使用壽命可達(dá)常規(guī)產(chǎn)品的數(shù)倍以上，因此從長期運(yùn)行維護(hù)和全壽命周期成本的角度考慮，使用鈦合金波紋管的年均投資更低。隨著鈦合金新材料的不斷出現(xiàn)以及波紋管成形工藝的不斷改進(jìn)，高性能低成本鈦合金波紋管的制造技術(shù)將日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也將逐漸拓展，具有廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡介：孫克（1983—），高級工程師，主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。Ｅ?ｍａｉｌ：ｓｕｎｋｅ＠ｈｂ?ｓａｉｓ.ｃｏｍ

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