大型弯头无模整体液压胀形新工艺实验研究文献学习体会

文献概况与技术创新点

本文发表于《材料科学与工艺》1999年第7卷第1期，由哈尔滨工业大学容器技术研究所完成。该文献提出了一种用于大型管路系统的无模整体液压胀形制造弯头的新工艺，并成功获得了厚度3.0mm、口径531.0mm、弯曲半径1310.0mm的45°弯头实验件，材料为Q235A。

这一工艺的最大创新在于"无模"和"整体"两个概念：

• 无模：传统弯头成形需要专门的模具（如推制模具、压制模具、滚弯模具等），模具的设计、制造、调试和维护成本高昂，尤其对于大型弯头，模具的制造难度和成本急剧增加。无模工艺省去了模具这一环节，大幅降低了工艺成本。
• 整体：弯头通过液压胀形一次性成形，而非分段焊接或拼接，保证了弯头的整体性和力学性能连续性。

工艺原理与实验条件

初始结构与成形原理

该工艺的初始结构为截面呈正六边形的焊接扇形环壳结构。这一设计思路颇具匠心：

1. 正六边形截面：六边形截面相较于圆形截面，在液压胀形过程中具有更好的稳定性。六边形的棱角在胀形过程中起到"骨架"作用，防止管坯在径向压力作用下发生失稳起皱。同时，六边形截面在最终胀圆过程中，各边的变形量相对均匀，有利于获得均匀的壁厚分布。
2. 焊接扇形环壳：将六边形截面的管段沿弯曲方向焊接成扇形环壳，预置了弯头的弯曲形状。这种预成形方式减少了液压胀形所需的变形量，降低了成形压力，提高了成形精度。
3. 液压胀形：通过向环壳内部施加均匀的内压，使六边形截面逐渐胀圆，同时使扇形环壳的弯曲形状更加精确。液压胀形的优势在于压力均匀分布，避免了局部应力集中。

实验参数

工艺优势与局限性分析

工艺优势

1. 造价低廉：无需制造专用模具，省去了模具设计、加工、热处理和调试的全部费用。对于单件或小批量生产的大型弯头，这一优势尤为突出。
2. 工艺简单可行：液压胀形设备（如液压机、高压泵、压力表等）在一般机械厂即可配置，工艺操作相对简单，对操作人员的技术要求不高。
3. 适应性强：通过调整初始六边形截面的尺寸和焊接扇形环壳的形状，可以适应不同口径、不同弯曲半径和不同角度的弯头需求，工艺灵活性高。
4. 成形质量好：液压胀形为均匀加载，变形均匀，壁厚分布均匀，表面无拉伸痕或起皱缺陷。

工艺局限性

1. 适用材料范围有限：液压胀形对材料的成形性要求较高，Q235A等低碳钢的延伸率较高（≥25%），适合液压胀形。对于延伸率较低的材料（如不锈钢、铜镍合金等），液压胀形可能导致破裂或起皱。
2. 壁厚均匀性控制：液压胀形过程中，六边形各边的变形量存在差异，可能导致胀圆后壁厚分布不均匀。尤其在六边形的角部区域，变形集中，壁厚减薄可能较为明显。
3. 焊接质量影响：初始焊接扇形环壳的焊接质量直接影响最终弯头的性能。焊缝处的热影响区（HAZ）在液压胀形过程中可能成为薄弱环节，需要严格控制焊接工艺参数。
4. 生产效率：液压胀形需要逐步升压，成形时间较长。对于大批量生产，生产效率可能不如推制或压制工艺。

与工程实践的结合思考

该工艺在以下工程场景中具有应用价值：

• 单件或批量生产的大型弯头：如石油化工装置中的大口径管道弯头、船舶管路系统中的大型弯头等。
• 特殊材料弯头：对于材料成形性差、传统模具成形困难的弯头，可采用液压胀形工艺。
• 现场制造：在无法运输大型弯头的场合，可采用现场焊接扇形环壳+现场液压胀形的方式制造弯头。

在实际应用中，需要注意以下质量控制要点：

1. 初始六边形截面的精度控制：六边形各边长度和角度的精度直接影响胀圆后的圆形度。建议六边形边长公差控制在±1mm以内，内角公差控制在±1°以内。
2. 焊接工艺优化：焊接扇形环壳时应采用低热输入焊接工艺（如TIG焊或窄间隙焊），控制层间温度在150℃以下，避免焊接热影响区过宽。焊缝应进行100% RT（射线检测）和PT（渗透检测），确保无未熔合、气孔、裂纹等缺陷。
3. 液压胀形过程监控：胀形过程中应实时监测内压、壁厚变化和直径变化。当壁厚减薄率接近15%时应停止胀形，防止破裂。建议采用超声测厚仪在胀形前后分别测量壁厚，建立壁厚变化数据库。
4. 成形后检验：弯头成形后应进行以下检验：

• 尺寸检验：口径、壁厚、弯曲半径、弯曲角度
• 力学性能：拉伸试验、弯曲试验
• 无损检测：MT（磁粉检测）或PT（渗透检测）
• 水压试验：按设计压力的1.5倍进行水压试验

学习心得与启示

这篇文献虽然发表于1999年，但其提出的无模整体液压胀形思路至今仍具有重要的工程参考价值。在制造业追求降本增效的大背景下，无模工艺的理念与当前的"增材制造"和"少模具制造"趋势不谋而合。文献中提出的"焊接扇形环壳+液压胀圆"两步法，本质上是一种"预成形+精成形"的工艺策略，这一策略在管件制造中具有普遍适用性。

从技术发展的角度看，该工艺可以进一步与以下技术结合：

• 有限元模拟：通过数值模拟优化六边形初始尺寸和液压胀形压力曲线，提高成形精度和壁厚均匀性。
• 自动控制：采用PLC（可编程逻辑控制器）控制液压系统，实现压力-时间的精确控制，提高成形一致性和可重复性。
• 在线监测：在胀形过程中引入传感器网络，实时监测壁厚、直径和压力变化，实现自适应控制。

该文献的最大贡献在于证明了无模工艺制造大型弯头的可行性，为大型管件的低成本制造提供了一条新的技术路径。对于从事管件制造和工艺研究的技术人员而言，这种"另辟蹊径"的创新思路值得深入学习和借鉴。