王戰(zhàn)生

摘要：為了提高焊接波紋管產(chǎn)品質(zhì)量， 對易于失效的焊接接頭的結(jié)構(gòu)與工藝進行分析。在融合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、資料的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了焊接波紋管接頭設(shè)計的一般性規(guī)律，提出了端頭露出量h、焊菇寬度W、焊縫熔陷高度K等參數(shù)與膜片厚度T的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：一般情況下，端頭露出量h=（3～4）T;焊菇寬度W=（2.5～3）T;焊縫熔陷高度K≈0.65T;膜片內(nèi)、外徑應(yīng)在焊接波紋管內(nèi)、外徑的基礎(chǔ)上減少或增加熔陷余量2K。通過控制端頭露出量、焊菇寬度、焊縫熔陷高度等參數(shù)，可以有效地提高焊接波紋管焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接波紋管;端接;焊菇

中圖分類號：TG 407

Abstract： To improve the quality of the welded bellows， the structure and procedures of the welded joint which are easy to fail were analyzed. Based on the combination of domestic and foreign standards and data， the general rules of welded bellows joint design are summarized， and the corresponding relations between edge exposure h， weld bead width W， penetration height K and diaphragm thickness T are proposed. The analysis results showed that： in general， h=（3～4）T;W=（2.5～3）; K≈0.65T. The inner and outer diameters of the diaphragm shall be reduced or increased on the basis of the inner and outer diameters of the welded bellows by 2K. By controlling parameters such as h，W，K， the welding quality of bellows can be improved effectively.

Key words： welded bellows;edge joint;weld bead

0 前言

焊接波紋管作為感壓、密封、隔離、連接、補償?shù)裙δ茉诤娇蘸教?、石油化工、儀器儀表等行業(yè)被廣泛應(yīng)用于壓力與溫度測控、機械密封等專業(yè)領(lǐng)域。焊接波紋管采用多組環(huán)形膜片，將膜片沿內(nèi)、外邊緣依次焊接組合而成。與液壓成形波紋管相比，焊接波紋管具有尺寸精度高、性能一致性好、補償能力強、壽命長、適用材料范圍廣等優(yōu)點。焊接波紋管焊縫密集，產(chǎn)品的主要失效模式為疲勞斷裂，焊接接頭為故障高發(fā)部位。除材料與熱處理因素外，焊接接頭的疲勞強度與其結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝密切關(guān)聯(lián)。

焊接波紋管的國內(nèi)主要相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9486—1999《連接密封焊接波紋管尺寸系列》、JB/T 8723—2008《焊接金屬波紋管機械密封》、JB/T 58551—1999《焊接金屬波紋管機械密封產(chǎn)品質(zhì)量分等》分別由儀器儀表、機械密封行業(yè)編制，內(nèi)容上各有側(cè)重，焊接波紋管接頭設(shè)計缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。而接頭設(shè)計往往因各種原因未受足夠重視，導(dǎo)致形成產(chǎn)品質(zhì)量隱患。

文中結(jié)合具體案例，在融合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、文獻資料的基礎(chǔ)上，分析了焊接波紋管接頭設(shè)計相關(guān)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響作用及合理的控制范圍。

1 焊接波紋管的波形與接頭

焊接波紋管的膜片波形可分為對稱式波形（圖1a）和層疊式波形（圖1b）兩大類。對稱式波形的上、下膜片的形狀尺寸完全一致;層疊式波形的上、下膜片的形狀則不一致，兩者在壓并狀態(tài)下可以互相貼合，如圖2所示。

與對稱波形相比，層疊波形焊接波紋管能產(chǎn)生更大的有效位移，體積補償能力強，在外壓作用下能承受較大的過載。對稱波形焊接波紋管工作時產(chǎn)生的位移較小，位移與承受的壓力之間可以保持良好的線性關(guān)系。

焊接波紋管的內(nèi)、外緣焊縫接頭屬于端接接頭。在GB/T 324—2008《焊縫符號表示法》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前， GB/T 324—1988中規(guī)定的13種表示焊縫截面形狀的基本符號無一與其相符，在標(biāo)注時易形成混亂。GB/T 324—2008在1988版的基礎(chǔ)上，增加了“端焊縫”等7種焊縫截面形狀，使基本符號增加至20種，解決了焊接波紋管的內(nèi)、外緣焊縫接頭標(biāo)注問題[4]。

GB/T 324—2008參照采用的ISO 2553：1992《焊接、硬釬焊及軟釬焊接頭在圖樣上的符號表示法》目前已修訂升級為2013第四版，其基本符號增至22種[5]?！岸私印狈栆舶l(fā)生了變化，見表1。

2 焊接波紋管接頭設(shè)計分析

采用真空電子束焊接工藝的焊接波紋管的加工工藝路線，如圖3所示。焊接波紋管的環(huán)形膜片（JB/T 8723—2008《焊接金屬波紋管機械密封》中稱為“波片”）一般用金屬板、帶材沖壓成型，首先將膜片兩兩相對接內(nèi)緣，成為一對波紋組合;然后將若干對波紋組合沿外邊緣，成為焊接波紋管。最后在焊接波紋管兩端焊上接頭、端蓋類零件后，成為完整的組件。

焊接夾具分為內(nèi)環(huán)夾具及外環(huán)夾具。在設(shè)計膜片的內(nèi)環(huán)夾具時，可以按膜片的內(nèi)圓定位或按膜片的外圓定位。焊接外環(huán)縫時，一般以外圓定位。不論以內(nèi)圓定位或者外圓定位，裝配精度都受到膜片自身尺寸偏差的影響。解決辦法有兩方面：一是提高膜片內(nèi)外圓與波紋之間的同軸度，減小自身尺寸偏差;二是提高夾具精度，但容易使配合間隙過小而裝夾困難。另一個辦法是對沖好的膜片精磨，以減少膜片內(nèi)外圓尺寸偏差，精磨時以實際夾具的定位圓為基準(zhǔn)。采用精磨的辦法不但可以提高裝配精度，而且還可以磨掉沖壓的加工硬化層，有利于提高焊縫質(zhì)量，缺點是工藝復(fù)雜、效率較低，應(yīng)用較少。

焊接波紋管局部剖面如圖4所示，a，b分別為膜片的內(nèi)、外邊緣寬度，一般認(rèn)為內(nèi)、外邊緣僅起工藝連接作用，在焊接波紋管拉、壓過程中不參與彈性變形（實際上，在波紋管拉伸時，膜片邊緣部分也會產(chǎn)生微量形變）。大多數(shù)情況下，a=b，稱為“邊寬”。

焊接接頭形成過程如圖5所示，圖中兩膜片邊緣對合齊整，在夾具的夾持下相互貼緊，端頭熔化凝固形成沿圓周的環(huán)形焊縫。在JB/T 8723—2008《焊接金屬波紋管機械密封》標(biāo)準(zhǔn)中，因“波片焊接形成的環(huán)形焊縫，其截面呈蘑菇狀”，而將其稱為“焊菇”。圖5中W為“焊菇寬度”，K為“熔陷高度”[6]，h為膜片焊前在夾具中的“端頭露出量”。

膜片的邊寬作為非功能尺寸參數(shù)，往往不被重視，但其直接影響接頭的焊接工藝性和焊接質(zhì)量。設(shè)計焊接波紋管時，膜片的邊寬應(yīng)能保證膜片在裝夾夾具后留出足夠的端頭露出量。

焊接時，一般采用真空電子束或微束等離子等高能量密度焊接熱源。焊縫無填充金屬，靠膜片母材熔化凝固成型。如圖6所示，接頭截面焊前、焊后形狀尺寸變化規(guī)律如下[6]：

（1）R/T=1時，焊縫熔深很淺，端頭表面非但沒有凹陷，反而隆起（K<0）。表現(xiàn)為焊后外緣直徑變大，內(nèi)緣直徑變小，焊接規(guī)范小、接頭強度低，此時K/T =-0.215（圖6a）。

（2）焊后內(nèi)外緣直徑不變時R/T=1.186，焊縫熔深略深，接頭強度有所改善，可用于承受載荷較小的焊接波紋管，此時K/T =0（圖6b）。

（3）R/T=1.5時，焊菇頭部成型飽滿，接頭強度佳，可以用于承受較大動、靜載荷，這也是國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所廣為推薦的。焊后外緣直徑變小、內(nèi)緣直徑變大，K/T =0.65（圖6c）。

圖7是根據(jù)體積不變原理繪制的K/T-R/T理論曲線和實測數(shù)據(jù)（以圓點表示），K/T稱為熔陷系數(shù)，R/T稱為截面系數(shù)[6]。當(dāng)R/T=1.5時，K/T=0.654，即K=0.654T，這時對應(yīng)的端頭露出量h=3.272T。一般的，端頭露出量h取3～4 倍膜片厚度為宜。h過小時，膜片端頭露出尺寸小、熔陷高度不足，將導(dǎo)致熔深淺、焊菇寬度小、焊縫強度不足;h過大時，過大的膜片端頭外露量使夾具的散熱效果降低，焊縫成型變壞，容易呈波浪形甚至造成焊瘤。

當(dāng)焊接波紋管的內(nèi)、外徑確定后，膜片的內(nèi)、外徑應(yīng)相應(yīng)的減少或增加熔陷高度余量2K。以R/T=1.5時為例：外徑D膜片=D波紋管+1.3T;內(nèi)徑d膜片=d波紋管-1.3T。

進行逆向工程時，若忽略了熔陷余量而以測繪的焊接波紋管內(nèi)、外徑d波紋管、D波紋管作為膜片內(nèi)、外徑，即D膜片=D波紋管、d膜片=d波紋管，將會使膜片邊寬不足，影響夾具設(shè)計、端頭露出量h等，導(dǎo)致焊縫成型不足、接頭強度降低等隱患。

3 接頭尺寸及評價標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8723—2008《焊接金屬波紋管機械密封》中對焊菇的形狀、尺寸的要求為：①焊菇兩凸邊R應(yīng)對稱;②單層波片的焊菇寬度W=（2.2～3）T（圖8a）;③雙層波片的焊菇寬度W=（4.2～5）T（圖8b）。單層和雙層波片的焊接波紋管示例，如圖9所示。

圖9 單層和雙層波片的焊接波紋管示例 ?文獻[7]中，對內(nèi)、外緣焊菇尺寸的規(guī)定為2.5～3.5倍的膜片厚度[7]，如圖10所示。

焊菇寬度測量方便，焊后不需破環(huán)試樣即可使用通用量具測量，對重要產(chǎn)品甚至可以逐條焊縫全數(shù)測量，在焊接波紋管生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。表1中ISO 2553：2013示意圖所描述的熔深，則需切割鑲樣后測量，只能抽樣進行。焊菇直徑在2.5～?3倍的膜片厚度范圍內(nèi)時，焊縫性能是最佳的。當(dāng)焊菇直徑比給定的小時，在焊縫的外圓周上會產(chǎn)生很大應(yīng)力，同時在焊縫根部應(yīng)力會增加。在承受循環(huán)交變載荷時，焊縫會開裂而導(dǎo)致波紋管破壞。當(dāng)焊菇直徑大于最佳值時，熔合線上外部的應(yīng)力集中效應(yīng)更加明顯。由于焊縫外部和根部應(yīng)力集中的疊加，易于在焊趾位置附近發(fā)生破壞[8]。

以膜片材質(zhì)為AM350不銹鋼、厚度0.1 mm+0.1 mm的端接接頭為例，采用真空電子束焊接工藝，電壓40 kV、電流1.2 mA（以下案例均與此相同），在焊接內(nèi)緣時，膜片裝在夾具中，傾斜45°后旋轉(zhuǎn)進行焊接。由于電子束熱源與膜片接頭位置不對稱，靠上的膜片邊緣熔化的多一些，導(dǎo)致焊菇形狀不對稱，如圖11和圖12a所示，嚴(yán)重時甚至?xí)纬珊钙⒁н叺热毕?。而所謂45°角波形的焊接波紋管，其膜片內(nèi)緣呈錐形，如圖1b后兩種波形所示。焊接時熔池部分處于垂直向上狀態(tài)（圖12b），焊菇成形對稱，有利于提高焊縫疲勞強度。

兩膜片之間的焊菇根部為尖角，相當(dāng)于裂紋源，如圖13左側(cè)所示，尤其在焊接波紋管產(chǎn)生軸向拉伸變形時，破壞往往由此處開始。當(dāng)兩膜片間有微量間隙時，焊菇根部背面可以圓滑成形，避免形成尖角，如圖13右側(cè)所示，有利于提高接頭的疲勞壽命[9]。

膜片邊緣的沖裁毛刺是產(chǎn)生非預(yù)期間隙的主要原因，而可控間隙需要在膜片之間增加墊環(huán)或膜片邊緣特殊成形來實現(xiàn)。據(jù)研究，與無背面成形的焊縫相比較，預(yù)留間隙接頭的疲勞壽命可提高90%以上[9]。但由于增加間隙工藝復(fù)雜，而膜片邊緣沖裁毛刺的尺寸形狀難于控制，該方法并未在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。為提高焊接波紋管疲勞壽命，應(yīng)盡可能使焊接波紋管工作于壓縮狀態(tài)（避免產(chǎn)生拉伸變形），以降低焊縫應(yīng)力，避免疲勞開裂。

4 結(jié)論

（1）焊接波紋管的端接接頭質(zhì)量控制和工裝設(shè)計方面應(yīng)遵循以下基本原則，以確保焊縫質(zhì)量可靠性：焊菇寬度W=（2.5～3）T;端頭露出量h=（3～4）T，適用于單層膜片的焊接波紋管。

（2）采取膜片內(nèi)緣45°角波形面或其它措施以保證焊菇形狀對稱;焊菇根部的微量間隙有助于焊縫背面成形，提高焊縫疲勞強度。

（3）逆向工程時，因焊縫熔陷高度K≈0.65T，膜片內(nèi)、外徑應(yīng)在焊接波紋管內(nèi)、外徑的基礎(chǔ)上減少或增加熔陷余量2K，以確保焊后成品尺寸一致。

參考文獻

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