一种TA10厚壁3D弯头成型工艺分析

武风雷 赵斌 原杰

摘 要：文章主要对TA10厚壁3D弯头在推制成型过程中出现的起皱、严重减薄现象进行系统分析，并针对推进装置的选择和感应加热温度与推进速度的匹配程度进行比较分析，有效地解决了TA10厚壁3D弯头成型起皱、严重减薄问题，保证了产品质量和工期。

关键词：钛钼镍；厚壁弯头；成型工艺

中图分类号：TG335 文献标志码：A 文章编号：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

弯头有减小流阻的作用，在管路系统中是不可或缺的部分，特別在石油、化工、冶金、船舶、机械等行业应用越来越多。随着各种生产工况环境的变化，之前普通钢材或不锈钢材弯头已经无法满足要求具有很强的耐腐蚀性的要求。因此，钛及钛合金弯头就可以有效地解决耐腐蚀性的问题。尤其在一些有颗粒物的流体中，弯头内腔外弧易产生磨损的问题，弯头可以通过增加壁厚来解决耐磨性的问题。

目前弯头热成型方法有：扩径推制法（图1）、压制法（图2）、压片法（图3）和等径煨制法（图4）[1]。TA10厚壁3D弯头主要采用等径煨制的热成型方法。其工作原理是在管道外部套上一个磁感应线圈，在加热的同时向前推进，转臂牵引管道转动，使管道在局部加热的条件下进行弯曲，当工件温度升高到塑性状态时，在管道末端用推力推进，进行弯制，弯制出的部分通过水冷的方法快速冷却。通过边加热、边推进、边弯制、边冷却，不断将弯头煨制出来，完成弯头成型[2]。采用TA10制作的3D厚壁弯头具有防腐蚀的特点，可以维持一个良好、稳定的工况效果。但是采用等径煨制法的弯头也会出现外圆弧侧壁厚减薄，内圆弧侧壁厚增厚的情况及产生局部起皱的缺点。

2 TA10厚壁3D弯头基本成型工艺分析

钢制弯头基本以无缝管为主，煨制成型效果较好。TA10成本较高，成型难度大，决定其无法像钢制弯头那样多批次多规格试推。TA10厚壁3D弯头的坯料等径厚壁管主要通过TA10板材压制成型、焊接纵缝和整形得到。焊接管的圆度及投料板材厚度会影响成品弯头的产品质量。因此，分析影响TA10厚壁3D弯头成型效果的原因，进而提高其成品率和外观质量就显得尤为必要。

2.1 简介TA10厚壁3D弯头成型工艺

2.1.1 考虑外测壁厚减薄的原因，采购原材料时考虑板材厚度为正公差。

2.1.2钛板压制成型选用热成型工艺，因钛材高温条件下易氧化等特点，TA10板材高温成型前须涂高温防氧化涂料防止母材氧化。压制分为预弯和成型工序，加热时应严格控制热成型温度，预弯成型过程中应避免母材划伤、明显压痕等，尽可能减少母材厚度耗损。纵缝焊接完成后管道进行整形，管道的整形圆度影响成型后弯头截面圆度。因此须保证煨制前管道圆度满足要求。

2.1.3 管道煨制采用的感应加热以中频电磁感应加热为主，感应温度较高，必须涂覆高温防氧化涂料防止成型拉伸过程中母材氧化。磁感线线圈电源位置分为弯头中性层面和弯头最外弧侧（如图4）。

2.1.4 煨制机推进装置力分为液压传动和机械齿轮传动。液压传动通过液压泵施加推力，机械传动采用电机带动齿轮传动施加推力。

2.1.5 电磁感应机加热温度的控制。

2.1.6 推进装置的成型时的推进速度。

2.1.7 周围环境温度对机械和液压传动的影响。

2.2 通过对弯头成型工艺进行分析

2.2.1 中频电磁感应加热温度一般均在650～720℃之间。磁感应线圈电源在最外弧处时外弧加热不充分，外弧金属流动差，磁感应线圈电源在中性层面时外弧充分加热，外弧金属流动性好。

2.2.2 壁厚在20mm以下时，弯曲阻力较小，液压传动与机械齿轮传动推进速度平稳恒定，成型效果均良好，减薄率（减薄率达到10%）满足标准ASME B16.9的≤12.5%要求、无明显起皱现象。

2.2.3 壁厚超过20mm时，随着壁厚不断增加，需要的传动推力随之增加。此时液压传动推力的阶梯式变化造成加热与推进速度不匹配，推进速度不恒定，甚至出现短暂停止，易产生局部起皱（如图5）和最外弧侧壁厚减薄明显（如表1中减薄率达到18%）等现象。而机械齿轮传动是机械传导力，随着阻力增加推进力也随之增加，有无级变速效果，保证加热温度与推进速度在一定范围内匹配恒定，推进速度平稳，保证成型条件稳定，成型效果较好（如图6），壁厚减薄率（如表2）满足标准ASME B16.9的≤12.5%的要求。

2.2.4 煨制起始位置处加热时间过长突然施加力，起皱现象无法避免。可以通过煨制角度大于需求角度，使需要弧度避开缺陷位置。

2.2.5 成型时的天气温度对液压传动装置也有一定的影响。气温过低时液压传动装置油路系统正常工作需要一定时间来预热，预热充分后才可以进行煨制工作。而机械传动装置则不受天气因素影响。

3 成型受力分析

分析成型过程受力情况，管道外弧受拉伸力，外弧长度增加，电磁感应加热金属向内侧流动壁厚减薄，内弧受挤压力，内弧长度缩短，因内腔无约束力无法使内弧侧金属向外侧补充流动，金属发生堆积壁厚增厚。因此加热温度的控制和加热时间控制直接影响金属流动速度，影响成型壁厚减薄量。保证推进力与弯曲阻力同步发生变化，加热温度区域才能均匀，不会产生液压传动因阻力增大出现短暂停止，加热时间过长，金属流动过于充分，导致壁厚减薄严重，液压力增大后因为突变导致速度突变造成弯头起皱情况。

4 结束语

为了尽可能得到成型效果良好的TA10厚壁3D弯头并且保证成功率，建议通过以下措施来保证：

（1）可以在控制成本的前提条件下考虑原材料板材厚度为正偏差。

（2）预弯成型时应应严格控制热成型温度，并尽可能减少对母材厚度的损耗，保证成型前的管道圆度尽可能高。

（3）煨制成型过程中要控制加热温度与推进速度在一定范围内的匹配、恒定。

（4）采用机械齿轮传动的推进装置更适合厚壁弯头成型，而较薄弯头（厚度不超过20mm）两者成型效果均良好。

（5）宜将加热电磁感线圈电机放置于外侧，使内弧侧温度高于外弧侧温度，让金属充分向外弧测流动，使壁厚进行径向补偿。

（6）在气温较低时液压传动装置应充分预热达到正常运行，再开始煨制工件。

（7）如果采用电脑自动控制加热温度、推进力、推进速度等因素，可以达到更好的预期效果。

参考文献：

[1]段文森.钛及钛合金管弯头成形工艺论述[J].金属学报，2002（z1）.

[2]张识宇，张慧楠.热推弯头的成形工艺论述[J].农家科技（下旬刊），2014（6）.