一種TA10厚壁3D彎頭成型工藝分析

武風(fēng)雷 趙斌 原杰

摘 要：文章主要對TA10厚壁3D彎頭在推制成型過程中出現(xiàn)的起皺、嚴(yán)重減薄現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，并針對推進(jìn)裝置的選擇和感應(yīng)加熱溫度與推進(jìn)速度的匹配程度進(jìn)行比較分析，有效地解決了TA10厚壁3D彎頭成型起皺、嚴(yán)重減薄問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和工期。

關(guān)鍵詞：鈦鉬鎳；厚壁彎頭；成型工藝

中圖分類號：TG335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0116-02

Abstract： In this paper， the wrinkling and serious thinning phenomena of TA10 thick-walled 3D elbow in the forming process are systematically analyzed， and the selection of propulsion device and the matching degree between induction heating temperature and propulsion speed are compared and analyzed. The problem of wrinkling and serious thinning of TA10 thick-walled 3D elbow is effectively solved， so that the product quality and time limit are guaranteed.

Keywords： titanium molybdenum nickel； thick-walled elbow； forming technology

1 概述

彎頭有減小流阻的作用，在管路系統(tǒng)中是不可或缺的部分，特別在石油、化工、冶金、船舶、機(jī)械等行業(yè)應(yīng)用越來越多。隨著各種生產(chǎn)工況環(huán)境的變化，之前普通鋼材或不銹鋼材彎頭已經(jīng)無法滿足要求具有很強(qiáng)的耐腐蝕性的要求。因此，鈦及鈦合金彎頭就可以有效地解決耐腐蝕性的問題。尤其在一些有顆粒物的流體中，彎頭內(nèi)腔外弧易產(chǎn)生磨損的問題，彎頭可以通過增加壁厚來解決耐磨性的問題。

目前彎頭熱成型方法有：擴(kuò)徑推制法（圖1）、壓制法（圖2）、壓片法（圖3）和等徑煨制法（圖4）[1]。TA10厚壁3D彎頭主要采用等徑煨制的熱成型方法。其工作原理是在管道外部套上一個(gè)磁感應(yīng)線圈，在加熱的同時(shí)向前推進(jìn)，轉(zhuǎn)臂牽引管道轉(zhuǎn)動(dòng)，使管道在局部加熱的條件下進(jìn)行彎曲，當(dāng)工件溫度升高到塑性狀態(tài)時(shí)，在管道末端用推力推進(jìn)，進(jìn)行彎制，彎制出的部分通過水冷的方法快速冷卻。通過邊加熱、邊推進(jìn)、邊彎制、邊冷卻，不斷將彎頭煨制出來，完成彎頭成型[2]。采用TA10制作的3D厚壁彎頭具有防腐蝕的特點(diǎn)，可以維持一個(gè)良好、穩(wěn)定的工況效果。但是采用等徑煨制法的彎頭也會(huì)出現(xiàn)外圓弧側(cè)壁厚減薄，內(nèi)圓弧側(cè)壁厚增厚的情況及產(chǎn)生局部起皺的缺點(diǎn)。

2 TA10厚壁3D彎頭基本成型工藝分析

鋼制彎頭基本以無縫管為主，煨制成型效果較好。TA10成本較高，成型難度大，決定其無法像鋼制彎頭那樣多批次多規(guī)格試推。TA10厚壁3D彎頭的坯料等徑厚壁管主要通過TA10板材壓制成型、焊接縱縫和整形得到。焊接管的圓度及投料板材厚度會(huì)影響成品彎頭的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，分析影響TA10厚壁3D彎頭成型效果的原因，進(jìn)而提高其成品率和外觀質(zhì)量就顯得尤為必要。

2.1 簡介TA10厚壁3D彎頭成型工藝

2.1.1 考慮外測壁厚減薄的原因，采購原材料時(shí)考慮板材厚度為正公差。

2.1.2鈦板壓制成型選用熱成型工藝，因鈦材高溫條件下易氧化等特點(diǎn)，TA10板材高溫成型前須涂高溫防氧化涂料防止母材氧化。壓制分為預(yù)彎和成型工序，加熱時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制熱成型溫度，預(yù)彎成型過程中應(yīng)避免母材劃傷、明顯壓痕等，盡可能減少母材厚度耗損?？v縫焊接完成后管道進(jìn)行整形，管道的整形圓度影響成型后彎頭截面圓度。因此須保證煨制前管道圓度滿足要求。

2.1.3 管道煨制采用的感應(yīng)加熱以中頻電磁感應(yīng)加熱為主，感應(yīng)溫度較高，必須涂覆高溫防氧化涂料防止成型拉伸過程中母材氧化。磁感線線圈電源位置分為彎頭中性層面和彎頭最外弧側(cè)（如圖4）。

2.1.4 煨制機(jī)推進(jìn)裝置力分為液壓傳動(dòng)和機(jī)械齒輪傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)通過液壓泵施加推力，機(jī)械傳動(dòng)采用電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)施加推力。

2.1.5 電磁感應(yīng)機(jī)加熱溫度的控制。

2.1.6 推進(jìn)裝置的成型時(shí)的推進(jìn)速度。

2.1.7 周圍環(huán)境溫度對機(jī)械和液壓傳動(dòng)的影響。

2.2 通過對彎頭成型工藝進(jìn)行分析

2.2.1 中頻電磁感應(yīng)加熱溫度一般均在650～720℃之間。磁感應(yīng)線圈電源在最外弧處時(shí)外弧加熱不充分，外弧金屬流動(dòng)差，磁感應(yīng)線圈電源在中性層面時(shí)外弧充分加熱，外弧金屬流動(dòng)性好。

2.2.2 壁厚在20mm以下時(shí)，彎曲阻力較小，液壓傳動(dòng)與機(jī)械齒輪傳動(dòng)推進(jìn)速度平穩(wěn)恒定，成型效果均良好，減薄率（減薄率達(dá)到10%）滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.9的≤12.5%要求、無明顯起皺現(xiàn)象。

2.2.3 壁厚超過20mm時(shí)，隨著壁厚不斷增加，需要的傳動(dòng)推力隨之增加。此時(shí)液壓傳動(dòng)推力的階梯式變化造成加熱與推進(jìn)速度不匹配，推進(jìn)速度不恒定，甚至出現(xiàn)短暫停止，易產(chǎn)生局部起皺（如圖5）和最外弧側(cè)壁厚減薄明顯（如表1中減薄率達(dá)到18%）等現(xiàn)象。而機(jī)械齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳導(dǎo)力，隨著阻力增加推進(jìn)力也隨之增加，有無級變速效果，保證加熱溫度與推進(jìn)速度在一定范圍內(nèi)匹配恒定，推進(jìn)速度平穩(wěn)，保證成型條件穩(wěn)定，成型效果較好（如圖6），壁厚減薄率（如表2）滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.9的≤12.5%的要求。

2.2.4 煨制起始位置處加熱時(shí)間過長突然施加力，起皺現(xiàn)象無法避免。可以通過煨制角度大于需求角度，使需要弧度避開缺陷位置。

2.2.5 成型時(shí)的天氣溫度對液壓傳動(dòng)裝置也有一定的影響。氣溫過低時(shí)液壓傳動(dòng)裝置油路系統(tǒng)正常工作需要一定時(shí)間來預(yù)熱，預(yù)熱充分后才可以進(jìn)行煨制工作。而機(jī)械傳動(dòng)裝置則不受天氣因素影響。

3 成型受力分析

分析成型過程受力情況，管道外弧受拉伸力，外弧長度增加，電磁感應(yīng)加熱金屬向內(nèi)側(cè)流動(dòng)壁厚減薄，內(nèi)弧受擠壓力，內(nèi)弧長度縮短，因內(nèi)腔無約束力無法使內(nèi)弧側(cè)金屬向外側(cè)補(bǔ)充流動(dòng)，金屬發(fā)生堆積壁厚增厚。因此加熱溫度的控制和加熱時(shí)間控制直接影響金屬流動(dòng)速度，影響成型壁厚減薄量。保證推進(jìn)力與彎曲阻力同步發(fā)生變化，加熱溫度區(qū)域才能均勻，不會(huì)產(chǎn)生液壓傳動(dòng)因阻力增大出現(xiàn)短暫停止，加熱時(shí)間過長，金屬流動(dòng)過于充分，導(dǎo)致壁厚減薄嚴(yán)重，液壓力增大后因?yàn)橥蛔儗?dǎo)致速度突變造成彎頭起皺情況。

4 結(jié)束語

為了盡可能得到成型效果良好的TA10厚壁3D彎頭并且保證成功率，建議通過以下措施來保證：

（1）可以在控制成本的前提條件下考慮原材料板材厚度為正偏差。

（2）預(yù)彎成型時(shí)應(yīng)應(yīng)嚴(yán)格控制熱成型溫度，并盡可能減少對母材厚度的損耗，保證成型前的管道圓度盡可能高。

（3）煨制成型過程中要控制加熱溫度與推進(jìn)速度在一定范圍內(nèi)的匹配、恒定。

（4）采用機(jī)械齒輪傳動(dòng)的推進(jìn)裝置更適合厚壁彎頭成型，而較薄彎頭（厚度不超過20mm）兩者成型效果均良好。

（5）宜將加熱電磁感線圈電機(jī)放置于外側(cè)，使內(nèi)弧側(cè)溫度高于外弧側(cè)溫度，讓金屬充分向外弧測流動(dòng)，使壁厚進(jìn)行徑向補(bǔ)償。

（6）在氣溫較低時(shí)液壓傳動(dòng)裝置應(yīng)充分預(yù)熱達(dá)到正常運(yùn)行，再開始煨制工件。

（7）如果采用電腦自動(dòng)控制加熱溫度、推進(jìn)力、推進(jìn)速度等因素，可以達(dá)到更好的預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]段文森.鈦及鈦合金管彎頭成形工藝論述[J].金屬學(xué)報(bào)，2002（z1）.

[2]張識宇，張慧楠.熱推彎頭的成形工藝論述[J].農(nóng)家科技（下旬刊），2014（6）.