焊縫尺寸對(duì)焊接金屬波紋管剛度的影響研究

馮震 聶帥 田紀(jì)云 馬世華 胡婷婷

焊縫尺寸對(duì)焊接金屬波紋管剛度的影響研究

馮震 聶帥 田紀(jì)云 馬世華 胡婷婷

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

基于焊接金屬波紋管各切片金相圖的焊縫尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)和有效熔寬及熔深擬合數(shù)據(jù)，進(jìn)行2D軸對(duì)稱全模型繪制并使用有限元分析方法開展焊縫尺寸對(duì)焊接金屬波紋管剛度的影響研究。研究發(fā)現(xiàn)焊縫尺寸和膜片之間的貼合干涉現(xiàn)象對(duì)焊接金屬波紋管的剛度影響較大，焊縫尺寸越小則焊接金屬波紋管整體剛度越大，壓縮距離增大會(huì)導(dǎo)致膜片之間的貼合干涉現(xiàn)象加劇致使波紋管剛度增大。

金屬波紋管；焊縫尺寸；壓縮距離；剛度

0 引言

波紋管補(bǔ)償器通過(guò)調(diào)節(jié)波紋壓縮位移量，實(shí)現(xiàn)各工況下產(chǎn)生的機(jī)械位移、熱膨脹的補(bǔ)償[1-2]。其工作原理為依據(jù)焊接金屬波紋管兩側(cè)氣液腔壓力變化自動(dòng)改變初始?jí)嚎s距離，進(jìn)而完成液腔中工質(zhì)擠出量的調(diào)節(jié)。因此焊接金屬波紋管的整體剛度大小是不同工況下壓縮位移自動(dòng)調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，直接決定金屬波紋管補(bǔ)償器性能的優(yōu)劣。焊接金屬波紋管的整體剛度受膜片尺寸、波形及波數(shù)等眾多參數(shù)影響。黃笑梅、王占生等[3-5]結(jié)合仿真及試驗(yàn)的方法開展了金屬膜片厚度、波數(shù)、波形對(duì)焊接金屬波紋管的剛度影響研究。焊接金屬波紋管的膜片材料屬性及接觸也會(huì)對(duì)焊接金屬波紋管組的整體彈性產(chǎn)生影響。婁路亮、劉江等學(xué)者[6-7]從金屬膜片的材料本構(gòu)方程及接觸方面開展焊接金屬波紋管剛度的影響研究。除此之外，焊接金屬波紋管上下膜片之間的焊接形式及形貌對(duì)波紋管強(qiáng)度有影響。王升林、Stephen O、Zhang D K等[8-10]開展了焊接接頭形貌對(duì)焊接金屬波紋管受力情況的影響研究。目前焊接金屬波紋管剛度的有限元分析，通常采用單組波的模型進(jìn)行仿真計(jì)算并用單組波計(jì)算獲得的剛度值除以整體波數(shù)后獲得的剛度值作為整體焊接金屬波紋管的剛度值，此方式忽略膜片之間貼合干涉帶來(lái)的剛度差異。還有一些仿真計(jì)算雖然是進(jìn)行全波數(shù)建模，計(jì)算其整體剛度。但是未考慮同一焊接金屬波紋管不同焊接波組之間焊接尺寸的差異性。本文結(jié)合焊接金屬波紋管各膜片切片有效熔寬、熔深統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，完成不同焊接尺寸的焊接金屬波紋管整體2D軸對(duì)稱建模。依據(jù)X光影像確定焊接波紋管上下膜片貼合部位并在仿真時(shí)對(duì)貼合部位設(shè)置非線性接觸，解決以往焊接尺寸和上下膜片貼合情況未知造成仿真計(jì)算剛度與實(shí)測(cè)剛度偏差較大的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果的對(duì)比與分析，開展焊縫尺寸對(duì)焊接金屬波紋管整體剛度的影響研究。

1 焊接金屬波紋管剛度差異對(duì)比

1.1 焊接金屬波紋管簡(jiǎn)介

焊接金屬波紋管屬于薄壁軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由厚度0.2mm的雙正弦型金屬膜片通過(guò)氬弧焊焊接而成，其中金屬膜片采用AM350不銹鋼板壓制而成。通過(guò)氬弧焊焊槍先兩、兩焊接金屬膜片內(nèi)圓焊縫，再進(jìn)行焊接外圓焊縫，其中內(nèi)圓、外圓焊縫均為等厚端接焊縫，最后焊接上下封頭形成完整的焊接金屬波紋管。焊接金屬波紋管具有良好的密封性和抗力學(xué)振動(dòng)特性且能有承受較大的壓力。因其金屬膜片較薄使其整體軸向剛度較小，在受到較小內(nèi)外壓差下均能調(diào)整壓縮量，因此具有較好的動(dòng)作靈活性和擠出性能。

圖1 焊接波紋管組件實(shí)物圖

1.2 焊接金屬波紋管理論計(jì)算和實(shí)測(cè)剛度對(duì)比

焊接金屬波紋管依據(jù)內(nèi)外側(cè)氣液腔壓差實(shí)現(xiàn)軸向伸縮，因此焊接金屬波紋管的軸向剛度對(duì)焊接金屬波紋管整體性能十分重要。國(guó)內(nèi)外常采用下述的波紋管理論剛度計(jì)算公式[11]來(lái)預(yù)估整體金屬波紋管的剛度

式中為波紋管組件剛度，N/mm；為材料彈性模量，MPa；m為膜片中徑，mm；為膜片厚度，mm；為波數(shù)；為膜片寬度，mm；o為膜片外徑，mm；i為膜片內(nèi)徑，mm；對(duì)該型號(hào)的金屬膜片產(chǎn)品進(jìn)行隨機(jī)抽樣并測(cè)量其內(nèi)外徑尺寸及厚度。抽樣件膜片測(cè)量參數(shù)如表1所示。

表1 金屬膜片抽樣尺寸參數(shù)

通過(guò)對(duì)抽樣結(jié)果分析可知該型號(hào)金屬膜片產(chǎn)品內(nèi)外圓尺寸及厚度一致性較好，可知大部分膜片外圓尺寸應(yīng)該為230.96mm，內(nèi)圓尺寸在190.52mm，厚度為0.202mm。按照上述公式計(jì)算其焊接金屬波紋管剛度，該型號(hào)不同批次的焊接金屬波紋管剛度應(yīng)為2.387N/mm。通過(guò)統(tǒng)計(jì)該同型號(hào)不同批次的焊接金屬波紋管實(shí)測(cè)剛度并與該型號(hào)金屬波紋管理論計(jì)算剛度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)13臺(tái)焊接金屬波紋管剛度散度較大。焊接金屬波紋管實(shí)測(cè)剛度偏離理論計(jì)算剛度情況如圖3所示。

圖3 不同批次焊接金屬波紋管組件剛度

通用理論剛度計(jì)算公式獲得的剛度和圖3不同批次產(chǎn)品剛度分布分析可知除材料參數(shù)、波數(shù)及膜片尺寸數(shù)據(jù)外還有其他因素對(duì)焊接金屬波紋管的剛度影響較大。通過(guò)對(duì)比分析不同批次產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不同批次產(chǎn)品的焊縫熔寬尺寸有差別。

1.3 焊縫尺寸對(duì)壓縮端約束反力的影響研究

在該波紋管膜片焊接時(shí)保持焊槍的速度、電流及電壓的一致性可保障焊接處焊縫的質(zhì)量滿足要求。參照該型號(hào)產(chǎn)品焊接速度、電流及電壓等工藝要求進(jìn)行膜片試焊并對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行金相檢查，其焊縫形貌如圖4所示。對(duì)試焊件膜片組內(nèi)外圓焊縫尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)內(nèi)外圓焊縫熔寬及熔深在不同的范圍內(nèi)，具體如表2所示。

表2 試焊件膜片組有效熔寬與熔深

根據(jù)上下限焊縫的熔深和熔寬分別繪制兩組膜片焊接結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真計(jì)算，下限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)小焊頭，上限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)大焊頭。對(duì)兩種尺寸對(duì)應(yīng)的大小焊頭模型進(jìn)行下端固定約束，上端壓縮位移均為1mm。獲得上端壓縮位移處的支反力結(jié)果圖5和圖6所示，其中下限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)的焊頭處變形為0.0506mm、支反力為185.69N，上限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)的焊頭處變形為0.0518mm、支反力為178.11N。通過(guò)不同焊頭尺寸結(jié)構(gòu)在相同條件下的變形情況可知相比于大焊頭，小焊頭的變形量較小且正弦波型附近的變形有較大影響。因此小焊頭會(huì)提高單組焊接金屬膜片組整體的剛度。由胡克定律可知在相同壓縮位移下，所需壓縮力越大則結(jié)構(gòu)剛度越大。因此下限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)（小焊頭）剛度（Min=185.69N/mm）大于上限焊縫尺寸結(jié)構(gòu)（大焊頭）剛度（Max=178.11N/mm）。因此證明焊縫尺寸差異對(duì)焊接金屬波紋管的整體剛度有較大影響。

2 焊縫尺寸對(duì)整體剛度的影響研究

2.1 焊縫有效熔寬與熔深的關(guān)系

選取該型號(hào)某臺(tái)產(chǎn)品的焊接金屬波紋管進(jìn)行等間隔焊接膜片組標(biāo)記及排序（13處），并測(cè)量標(biāo)記處的內(nèi)外圓焊縫有效熔寬，如表3所示。

然后對(duì)標(biāo)記處的膜片組進(jìn)行切片并做金相檢查，然后測(cè)量不同標(biāo)記處的焊縫有效熔深。最后根據(jù)所測(cè)得的有效熔寬和熔深數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)外圓焊縫熔寬和熔深的關(guān)系擬合獲得內(nèi)外圓焊縫熔寬和熔深的擬合曲線，擬合曲線如圖7所示。

表3 內(nèi)外圓焊縫熔深熔寬對(duì)應(yīng)表

2.2 全焊縫形貌的建模及計(jì)算

對(duì)某批次產(chǎn)品進(jìn)行熔寬測(cè)量并根據(jù)上述焊縫熔寬與熔深擬合關(guān)系式計(jì)算該條焊縫的熔深數(shù)值，最后依據(jù)熔深和熔寬數(shù)值進(jìn)行全模型焊接金屬波紋管建模。對(duì)同批次產(chǎn)品充壓使其有一定壓縮位移后進(jìn)行X光檢測(cè)，根據(jù)影像結(jié)果設(shè)置仿真模型中焊接金屬上下膜片接觸位置。在小沖壓壓力下即小壓縮量下，內(nèi)外焊縫焊菇上下膜片夾縫處無(wú)明顯貼合情況，在壓縮量增大上下膜片在膜片焊接直線段處開始貼合，且貼合情況不同。仿真計(jì)算中對(duì)全模型內(nèi)外焊接直線段貼合位置設(shè)置接觸，接觸類型為frictionless。計(jì)算模型進(jìn)行下端固定，計(jì)算11種壓縮距離下上端壓縮約束處的約束反力。

在給定的各壓縮距離下發(fā)現(xiàn)焊接金屬波紋管在受壓時(shí)各膜片之間存在貼合干涉問(wèn)題，該貼合干涉的存在導(dǎo)致膜片變形和受力發(fā)生變化。75mm和95mm壓縮距離下的焊接金屬波紋管上下膜片貼合干涉情況如圖8所示。

圖8中紅色線框?yàn)樯舷履て瑑?nèi)外圓焊頭附近直線段膜片部位，通過(guò)對(duì)比分析可知上下膜片內(nèi)外圓焊頭附近直線段膜片部位貼合情況不同。同一壓縮距離下不同部位膜片組的貼合干涉情況存在差異，不同壓縮距離下的同區(qū)域膜片貼合干涉情況也存在不同。

對(duì)比不同壓縮量下相同內(nèi)外焊縫位置的應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)同一組內(nèi)外膜片，外圓焊縫整體應(yīng)力小于內(nèi)圓焊縫，對(duì)于內(nèi)圓焊縫，焊縫直線段膜片外側(cè)應(yīng)力大于焊縫直線段膜片夾縫內(nèi)側(cè)應(yīng)力。對(duì)于外圓焊縫，焊縫直線段膜片外側(cè)應(yīng)力小于焊縫直線段膜片夾縫內(nèi)側(cè)應(yīng)力。從小壓縮量（5mm）和大壓縮量（85mm）相同焊縫位置的應(yīng)力分布趨勢(shì)相同。因此可知隨著壓縮量的增大，相同位置的應(yīng)力結(jié)果也逐漸增大。在較大的應(yīng)力下，上下膜片夾縫之間的間隙減小進(jìn)而產(chǎn)生貼合進(jìn)而導(dǎo)致焊接波紋管剛度增大。應(yīng)力分布結(jié)果如圖9和圖10所示。

采用彈簧試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接金屬波紋管整體剛度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)給定不同的壓縮距離和獲得相應(yīng)壓縮距離下對(duì)應(yīng)的彈簧力。該批次焊接金屬波紋管各壓縮距離和彈簧反力實(shí)測(cè)值的關(guān)系如圖11所示。依據(jù)上述仿真計(jì)算獲得的相同11組壓縮距離下的支反力與對(duì)應(yīng)壓縮位移下的實(shí)測(cè)彈簧力對(duì)比，對(duì)比圖如圖12所示。

通過(guò)圖11和圖12分析可知在壓縮距離為75mm內(nèi)，壓縮距離和彈簧力成正比例關(guān)系。壓縮距離在75mm至105mm之間時(shí)，隨著壓縮距離的增加波紋管上下膜片之間貼合干涉現(xiàn)象嚴(yán)重致使彈簧力急劇增大。其中在壓縮距離為105mm時(shí)，實(shí)測(cè)彈簧力（254MPa）和仿真計(jì)算值（241.81MPa）之間的誤差為4.7%。

圖11 壓縮距離與彈簧力關(guān)系圖

圖12 實(shí)測(cè)-仿真壓縮距離與彈簧力對(duì)比圖

3 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)單組焊接波紋管仿真分析，發(fā)現(xiàn)焊縫尺寸大小對(duì)焊接金屬波紋管整體剛度影響較大，焊縫尺寸越小焊接金屬波紋管整體剛度越大。除此之外同條焊縫的熔寬值和其對(duì)應(yīng)的熔深值存在正相關(guān)關(guān)系。

2) 通過(guò)對(duì)含不同焊接接頭的全波數(shù)波紋管模型進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)焊接金屬波紋管在一定壓縮距離下膜片之間存在貼合干涉現(xiàn)象。隨著壓縮距離的增大，上下膜片貼合干涉現(xiàn)象加劇致使整體波紋管剛度增大。

3) 通過(guò)對(duì)比不同壓縮量下相同位置處內(nèi)外焊縫應(yīng)力情況，發(fā)現(xiàn)同一組內(nèi)外膜片中外圓焊縫附近區(qū)域應(yīng)力小于內(nèi)圓焊縫附近應(yīng)力。隨著壓縮量的增大，相同位置的應(yīng)力也逐漸增大。上下膜片焊接形成的夾縫間隙減小進(jìn)而產(chǎn)生貼合，導(dǎo)致在大壓縮量下焊接波紋管剛度增大。

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Study on the Effect of Weld Size on the Stiffness of Welded Metal Bellows

FENG Zhen NIE Shuai TIAN Ji-yun MA Shi-Hua HU Ting-Ting

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076,China)

Based on the measurement data of weld size and morphology of each slice of welded metal bellows and the fitting relationship data between effective weld width and penetration depth, the 2D axsymmetric full model is drawn, and the influence of weld size on the overall stiffness of welded metal bellows is studied by finite element analysis method. It is found that the weld size and the bonding interference between the upper and lower diaphragms have a great impact on the stiffness of the welded metal bellows. The smaller the weld size, the greater the overall stiffness of the welded metal bellows. The increase of the compression distance will aggravate the bonding interference between the upper and lower diaphragms, resulting in the increase of the stiffness of the welded metal bellows.

Welded metal bellows; Weld size; Compression distance; Stiffness

V416

A

1006-3919(2022)02-0008-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.002

2022-01-25；

2022-03-04

馮震（1978—），男，高工，研究方向：空間溫控系統(tǒng)與熱控流體回路；（100076）北京市9200信箱11分箱.