一種TA10厚壁3D彎頭成型工藝分析

武風雷 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的起皺、嚴重減薄現象進行系統分析，并針對推進裝置的選擇和感應加熱溫度與推進速度的匹配程度進行比較分析，有效地解決了TA10厚壁3D彎頭成型起皺、嚴重減薄問題，保證了產品質量和工期。

關鍵詞：鈦鉬鎳；厚壁彎頭；成型工藝

中圖分類號：TG335 文獻標志碼：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，在管路系統中是不可或缺的部分，特別在石油、化工、冶金、船舶、機械等行業應用越來越多。隨著各種生產工況環境的變化，之前普通鋼材或不銹鋼材彎頭已經無法滿足要求具有很強的耐腐蝕性的要求。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，彎頭內腔外弧易產生磨損的問題，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磁感應線圈，在加熱的同時向前推進，轉臂牽引管道轉動，使管道在局部加熱的條件下進行彎曲，當工件溫度升高到塑性狀態時，在管道末端用推力推進，進行彎制，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、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，可以維持一個良好、穩定的工況效果。但是采用等徑煨制法的彎頭也會出現外圓弧側壁厚減薄，內圓弧側壁厚增厚的情況及產生局部起皺的缺點。

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影響成品彎頭的產品質量。因此，分析影響TA10厚壁3D彎頭成型效果的原因，進而提高其成品率和外觀質量就顯得尤為必要。

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，TA10板材高溫成型前須涂高溫防氧化涂料防止母材氧化。壓制分為預彎和成型工序，加熱時應嚴格控制熱成型溫度，預彎成型過程中應避免母材劃傷、明顯壓痕等，盡可能減少母材厚度耗損。縱縫焊接完成后管道進行整形，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加熱以中頻電磁感應加熱為主，感應溫度較高，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（如圖4）。

2.1.4 煨制機推進裝置力分為液壓傳動和機械齒輪傳動。液壓傳動通過液壓泵施加推力，機械傳動采用電機帶動齒輪傳動施加推力。

2.1.5 電磁感應機加熱溫度的控制。

2.1.6 推進裝置的成型時的推進速度。

2.1.7 周圍環境溫度對機械和液壓傳動的影響。

2.2 通過對彎頭成型工藝進行分析

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

2.2.2 壁厚在20mm以下時，彎曲阻力較小，液壓傳動與機械齒輪傳動推進速度平穩恒定，成型效果均良好，減薄率（減薄率達到10%）滿足標準ASME B16.9的≤12.5%要求、無明顯起皺現象。

2.2.3 壁厚超過20mm時，隨著壁厚不斷增加，需要的傳動推力隨之增加。此時液壓傳動推力的階梯式變化造成加熱與推進速度不匹配，推進速度不恒定，甚至出現短暫停止，易產生局部起皺（如圖5）和最外弧側壁厚減薄明顯（如表1中減薄率達到18%）等現象。而機械齒輪傳動是機械傳導力，隨著阻力增加推進力也隨之增加，有無級變速效果，保證加熱溫度與推進速度在一定范圍內匹配恒定，推進速度平穩，保證成型條件穩定，成型效果較好（如圖6），壁厚減薄率（如表2）滿足標準ASME B16.9的≤12.5%的要求。

2.2.4 煨制起始位置處加熱時間過長突然施加力，起皺現象無法避免。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 成型時的天氣溫度對液壓傳動裝置也有一定的影響。氣溫過低時液壓傳動裝置油路系統正常工作需要一定時間來預熱，預熱充分后才可以進行煨制工作。而機械傳動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，電磁感應加熱金屬向內側流動壁厚減薄，內弧受擠壓力，內弧長度縮短，因內腔無約束力無法使內弧側金屬向外側補充流動，金屬發生堆積壁厚增厚。因此加熱溫度的控制和加熱時間控制直接影響金屬流動速度，影響成型壁厚減薄量。保證推進力與彎曲阻力同步發生變化，加熱溫度區域才能均勻，不會產生液壓傳動因阻力增大出現短暫停止，加熱時間過長，金屬流動過于充分，導致壁厚減薄嚴重，液壓力增大后因為突變導致速度突變造成彎頭起皺情況。

4 結束語

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）預彎成型時應應嚴格控制熱成型溫度，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速度在一定范圍內的匹配、恒定。

（4）采用機械齒輪傳動的推進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放置于外側，使內弧側溫度高于外弧側溫度，讓金屬充分向外弧測流動，使壁厚進行徑向補償。

（6）在氣溫較低時液壓傳動裝置應充分預熱達到正常運行，再開始煨制工件。

（7）如果采用電腦自動控制加熱溫度、推進力、推進速度等因素，可以達到更好的預期效果。

參考文獻：

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

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