液压成形用焊管的分类特点及液压成形材料的性能评价详解

行业动态 ????|???? 2019-12-02
摘要:目前用于液压成形的焊管主要有电阻焊(ERW)管和激光焊管。焊管是板带弯曲之后焊接而成的,焊接质量直接决定焊管的质量。因此焊管的大量应用是建立在薄板焊接技术发展成熟的基础之上的。本文兴迪源机械带来液压成形材料的性能评价详解。

  目前用于液压成形的焊管主要有电阻焊(ERW)管和激光焊管。焊管是板带弯曲之后焊接而成的,焊接质量直接决定焊管的质量。因此焊管的大量应用是建立在薄板焊接技术发展成熟的基础之上的。本文兴迪源机械带来液压成形材料的性能评价详解。
 
  一、液压成形用焊管的分类及特点
 
  目前用于液压成形的焊管主要有电阻焊(ERW)管和激光焊管。焊管是板带弯曲之后焊接而成的,焊接质量直接决定焊管的质量。因此焊管的大量应用是建立在薄板焊接技术发展成熟的基础之上的。在众多焊接技术中,目前仅有数种焊接方法广泛应用于焊管的生产,其中应用最为广泛的为电阻焊管与激光焊管。
 
  1)电阻焊管:
 
  电阻焊管是将冷轧或热轧板材成形后,利用流经工件连接面的高频电渡所产生的电阻热,使管坯边缘加热熔化,在挤压辊的作用下进行压力焊接来实现生产的,其基本原理如图3.4所示。
 


图3.4 管材电阻焊原理
 
  由于施加的是高频电流,因此也称高频电阻焊(HERW)管,而且只有直缝才能采用该焊接技术,所以又称为直缝高频电阻焊钢管。高频电阻焊主要是利用高频电流的集肤效应和邻近效应,其频率范围为300~450kHz。
 
  高频电阻焊具有下列特点:
 
  ①电流离度集中于焊接区,加热速度极快,焊接速度高达150-200mmin。
 
  ②焊件自冷作用强,热影响区小,且不易发生氧化,焊缝的组织和性能优良。
 
  ③焊前焊件表面无须清理,效率高。
 
  ④适用于多种金属焊接,产品形状规格多。
 
  ⑤焊接过程中不添加任何焊料,焊缝没有经过熔化状态,只是经过再结晶过程,故形成的焊缝与母材的化学成分基本一致, 钢管焊接后经过退火处理,冷加工内应力和焊接残余应力均得到改善,因此电阻焊钢管综合力学性能较好。电阻焊管由于具有尺寸精度好、价格低、生产效
 
  率高等优点,受到越来越多用户的青睐。目前,电阻焊管已逐步成为油气储运领域中的首选管材,尤其是在石油、石化、航空航天、汽车、成品油及天然气城市管网领域中的应用非常广泛。
 
  电阻焊管焊缝质量与焊接速度、温度、挤压力乃至管坯厚度都有密切的关系。
 
  当接速度不变时,热影响区的宽度与焊接温度成正比,与挤压力成反比,与焊接速度成反比。板材越薄,熔融区和热影响区范围较小。壁厚小于3mm的钢管,热影响区宽度为管坏厚度的1/4~1/3,熔合线宽度应为0.02~0.12mm,金属流线角应在45~60°。但对于壁厚大于5mm的厚壁管,热影响区宽度大于1/3,但一般不超过壁厚的1/2,相应的熔合线宽度也略宽一点。经过对电阻焊管进行扩口、压肩、冲击韧性、断裂韧性等研究,发现电阻焊管具有优良的综合力学性能。
 
  2)激光焊
 
  激光焊管由冷轧板弯制后进行激光焊接而成,其制造工序为:钢板开卷落料一钢板预制成形一激光焊接。虽然制造工序不复杂,但对钢板预弯成形后间隙量要求很高,否则难以保证激光焊接的质量。管坯预制成形有两种技术方案辊压弯曲成形与“U-O”成形,如图3.5所示。


 
图3.5管胚预制工艺过程
 
  a)辊压弯曲成形;(b)U-O成形
 
  在激光拼焊管制造中,管坯预制成形是一道非常重要的工序,直接影响后道工序激光焊接的质量。
 
  相比其他焊接技术,激光焊接具有以下优点:
 
  ①属于非接触加工,管材表面质量好。
 
  ②焊接时无须对工件加压,管材内部无毛刺(这是激光焊管相比阻焊管的主要优点)。
 
  ③激光焊接速度快,焊管的热影响区窄,受影响区域一般不大于管材壁厚,焊接接头性能好。
 
  ④激光焊接时熔深大,深宽比可达5.0以上,且焊缝质量稳定,变形小。因此,受到欧美众多大型汽车厂商的青睐。
 
  然而,激光焊接设备价格由于昂贵,主要用于大批量自动化生产。
 
  激光焊接接头中焊缝的屈服强度较母材有较大提高,但二者的抗拉强度相差不大,焊缝的硬化指数和延伸率均下降,一般约为母材的70%。激光焊后焊缝处的硬度一般高于母材,焊缝熔合区硬度是母材硬度的2.5~3倍,由于热影响区很窄,因此母材和焊缝间的硬度梯度很陡,热影响区(HAZ)的平均硬度是母材硬度的1.5倍左右。然而,激光拼焊板焊缝区域的杯突值较母材有一定程度的降低,说明焊缝深冲性能低于母材。
 
  二、液压成形焊管的性能评价
 
  根据GB/T13793-2008,焊管工艺性能评价有压扁试验、弯曲试验和扩口试验,但这些试验不能真实地反映出焊管在液压成形过程中的变形及受力状态,
 
  因此也亟待有针对液压成形焊管的性能评价标准出台。
 
  目前,哈尔滨工业大学对液压成形焊管性能评价做了系统的研究:通过建立轴向轮廓几何模型来获得计算管材胀形曲率半径的公式;根据塑性理论与体积不变条件,建立管材胀形区最高点的壁厚理论模型。根据上述直接测试得到的数据以及胀形区几何轮廓模型与最高点壁厚理论模型即可求解得到管材胀形区最高点的应力与应变分量。针对试验管材,选择合适的屈服准则与硬化模型, 假设屈服函数与塑性势函数相关联,即可得到双向应力状态下焊管的等效应力一等效应变关系,从而得到管材的力学性能。
 
  基于以上理论分析,研制了管材力学性能测试设备,如图3.6所示。该设备为哈尔滨工业大学流体高压成形技术研究所自主研制,具有完全自主常识产权的先进设备,由机身、液压系统、高压系统、计算机控制系统和分析计算系统五部分组成。

 
图3.6管材液压胀形测试原理与装置
 
 
  该设备具有如下特点:
 
  ①不剖切管材,可直接获得管材的力学性能及成形性能指标。
 
  ②测试出复杂应力状态下各向异性材料的应力一应变曲线和成形性能。
 
  ③仅需测试管材初始壁厚和胀形后最高点的壁厚,根据线形法公式由App计算出来结果,避免了中断试验多次测量壁厚和多试样法带来的误差,
 
  ④把板材卷焊成圆筒坯,可获得板材在复杂应力状态下的力学性能。
 
  通过测试可获得管材以下力学性能指标:
 
  ①极限胀破压力。
 
  ②最大膨胀率。
 
  ③真实应力一应变曲线。
 
  ④工程应力一应变曲线。
 
  ⑤屈服强度。
 
  ⑥抗拉强度。
 
  ⑦加工硬化指数n值。
 
  ⑧成形极限图。
 
  图3.7为测试样件及获得的成形极限图。
 
 
  图3.7试样及成形极限图
 
  【兴迪源机械液压成形技术优势
 
  兴迪源机械严格按照ISO国际标准质量管理体系和5S管理标准进行质量监控和内部管理。建立有 “河南省流体压力成形智能装备工程技术研究中心”,核心团队由数10名博士、硕士和各高等院校金属成形专家教授组成,专注于液压成形核心技术和产品工艺研发。
框架式内高压成形液压机
 
  兴迪源机械与中国科学院金属研究所、南京航空航天大学等院校开展长期的产、学、研合作,并共同设立了“液压成形技术产业化示范基地”,时刻跟踪国内外领先技术,不断提升“兴迪源”液压设备品牌价值。

部分文段和图片摘自:    
 
《汽车板材先进成形技术与应用》
 
编辑:谢文才 刘强
 
由兴迪源机械编辑
 
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