目前用于液壓成形的焊管主要有電阻焊(ERW)管和激光焊管。焊管是板帶彎曲之后焊接而成的，焊接質量直接決定焊管的質量。因此焊管的大量應用是建立在薄板焊接技術發展成熟的基礎之上的。本文興迪源機械帶來液壓成形材料的性能評價詳解。
一、液壓成形用焊管的分類及特點：
目前用于液壓成形的焊管主要有電阻焊(ERW)管和激光焊管。焊管是板帶彎曲之后焊接而成的，焊接質量直接決定焊管的質量。因此焊管的大量應用是建立在薄板焊接技術發展成熟的基礎之上的。在眾多焊接技術中，目前僅有數種焊接方法廣泛應用于焊管的生產，其中應用最為廣泛的為電阻焊管與激光焊管。
1）電阻焊管：
電阻焊管是將冷軋或熱軋板材成形后，利用流經工件連接面的高頻電渡所產生的電阻熱，使管坯邊緣加熱熔化，在擠壓輥的作用下進行壓力焊接來實現生產的，其基本原理如圖3.4所示。
圖3.4 管材電阻焊原理
由于施加的是高頻電流，因此也稱高頻電阻焊(HERW)管，而且只有直縫才能采用該焊接技術，所以又稱為直縫高頻電阻焊鋼管。高頻電阻焊主要是利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，其頻率范圍為300~450kHz。
高頻電阻焊具有下列特點：
①電流離度集中于焊接區，加熱速度極快，焊接速度高達150-200mmin。
②焊件自冷作用強,熱影響區小,且不易發生氧化，焊縫的組織和性能優良。
③焊前焊件表面無須清理,效率高。
④適用于多種金屬焊接,產品形狀規格多。
⑤焊接過程中不添加任何焊料,焊縫沒有經過熔化狀態,只是經過再結晶過程,故形成的焊縫與母材的化學成分基本一致, 鋼管焊接后經過退火處理,冷加工內應力和焊接殘余應力均得到改善,因此電阻焊鋼管綜合力學性能較好。電阻焊管由于具有尺寸精度好、價格低、生產效
率高等優點,受到越來越多用戶的青睞。目前,電阻焊管已逐步成為油氣儲運領域中的首選管材,尤其是在石油、石化、航空航天、汽車、成品油及天然氣城市管網領域中的應用非常廣泛。
電阻焊管焊縫質量與焊接速度、溫度、擠壓力乃至管坯厚度都有密切的關系。
當接速度不變時,熱影響區的寬度與焊接溫度成正比,與擠壓力成反比,與焊接速度成反比。板材越薄,熔融區和熱影響區范圍較小。壁厚小于3mm的鋼管，熱影響區寬度為管壞厚度的1/4~1/3,熔合線寬度應為0.02~0.12mm,金屬流線角應在45~60°。但對于壁厚大于5mm的厚壁管,熱影響區寬度大于1/3,但一般不超過壁厚的1/2,相應的熔合線寬度也略寬一點。經過對電阻焊管進行擴口、壓肩、沖擊韌性、斷裂韌性等研究,發現電阻焊管具有優良的綜合力學性能。
2）激光焊
激光焊管由冷軋板彎制后進行激光焊接而成,其制造工序為:鋼板開卷落料一鋼板預制成形一激光焊接。雖然制造工序不復雜,但對鋼板預彎成形后間隙量要求很高,否則難以保證激光焊接的質量。管坯預制成形有兩種技術方案輥壓彎曲成形與“U-O”成形,如圖3.5所示。
圖3.5管胚預制工藝過程
a)輥壓彎曲成形；(b)U-O成形
在激光拼焊管制造中,管坯預制成形是一道非常重要的工序,直接影響后道工序激光焊接的質量。
相比其他焊接技術,激光焊接具有以下優點:
①屬于非接觸加工，管材表面質量好。
②焊接時無須對工件加壓,管材內部無毛刺(這是激光焊管相比阻焊管的主要優點)。
③激光焊接速度快,焊管的熱影響區窄,受影響區域一般不大于管材壁厚,焊接接頭性能好。
④激光焊接時熔深大,深寬比可達5.0以上,且焊縫質量穩定,變形小。因此,受到歐美眾多大型汽車廠商的青睞。
然而,激光焊接設備價格由于昂貴,主要用于大批量自動化生產。
激光焊接接頭中焊縫的屈服強度較母材有較大提高,但二者的抗拉強度相差不大,焊縫的硬化指數和延伸率均下降,一般約為母材的70%。激光焊后焊縫處的硬度一般高于母材,焊縫熔合區硬度是母材硬度的2.5~3倍,由于熱影響區很窄,因此母材和焊縫間的硬度梯度很陡,熱影響區(HAZ)的平均硬度是母材硬度的1.5倍左右。然而,激光拼焊板焊縫區域的杯突值較母材有一定程度的降低,說明焊縫深沖性能低于母材。
二、液壓成形焊管的性能評價：
根據GB/T13793-2008,焊管工藝性能評價有壓扁試驗、彎曲試驗和擴口試驗,但這些試驗不能真實地反映出焊管在液壓成形過程中的變形及受力狀態,
因此也亟待有針對液壓成形焊管的性能評價標準出臺。
目前,哈爾濱工業大學對液壓成形焊管性能評價做了系統的研究:通過建立軸向輪廓幾何模型來獲得計算管材脹形曲率半徑的公式;根據塑性理論與體積不變條件,建立管材脹形區最高點的壁厚理論模型。根據上述直接測試得到的數據以及脹形區幾何輪廓模型與最高點壁厚理論模型即可求解得到管材脹形區最高點的應力與應變分量。針對試驗管材,選擇合適的屈服準則與硬化模型, 假設屈服函數與塑性勢函數相關聯,即可得到雙向應力狀態下焊管的等效應力一等效應變關系,從而得到管材的力學性能。
基于以上理論分析,研制了管材力學性能測試設備,如圖3.6所示。該設備為哈爾濱工業大學流體高壓成形技術研究所自主研制,具有完全自主知識產權的先進設備,由機身、液壓系統、高壓系統、計算機控制系統和分析計算系統五部分組成。
圖3.6管材液壓脹形測試原理與裝置
該設備具有如下特點:
①不剖切管材,可直接獲得管材的力學性能及成形性能指標。
②測試出復雜應力狀態下各向異性材料的應力一應變曲線和成形性能。
③僅需測試管材初始壁厚和脹形后最高點的壁厚,根據線形法公式由軟件計算出來結果,避免了中斷試驗多次測量壁厚和多試樣法帶來的誤差,
④把板材卷焊成圓筒坯,可獲得板材在復雜應力狀態下的力學性能。
通過測試可獲得管材以下力學性能指標:
①極限脹破壓力。
②最大膨脹率。
③真實應力一應變曲線。
④工程應力一應變曲線。
⑤屈服強度。
⑥抗拉強度。
⑦加工硬化指數n值。
⑧成形極限圖。
圖3.7為測試樣件及獲得的成形極限圖。
圖3.7試樣及成形極限圖
【興迪源機械液壓成形技術優勢】
興迪源機械嚴格按照ISO國際標準質量管理體系和5S管理標準進行質量監控和內部管理。建立有 “河南省流體壓力成形智能裝備工程技術研究中心”，核心團隊由數10名博士、碩士和各高等院校金屬成形專家教授組成，專注于液壓成形核心技術和產品工藝研發。
興迪源機械與中國科學院金屬研究所、南京航空航天大學等院校開展長期的產、學、研合作，并共同設立了“液壓成形技術產業化示范基地”，時刻跟蹤國內外領先技術，不斷提升“興迪源”液壓設備品牌價值。
部分文段和圖片摘自：
《汽車板材先進成形技術與應用》
作者：謝文才 劉強
由興迪源機械編輯
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