焊縫尺寸對焊接金屬波紋管剛度的影響研究

馮震 聶帥 田紀云 馬世華 胡婷婷

焊縫尺寸對焊接金屬波紋管剛度的影響研究

馮震 聶帥 田紀云 馬世華 胡婷婷

（北京航天動力研究所，北京 100076）

基于焊接金屬波紋管各切片金相圖的焊縫尺寸測量數據和有效熔寬及熔深擬合數據，進行2D軸對稱全模型繪制并使用有限元分析方法開展焊縫尺寸對焊接金屬波紋管剛度的影響研究。研究發現焊縫尺寸和膜片之間的貼合干涉現象對焊接金屬波紋管的剛度影響較大，焊縫尺寸越小則焊接金屬波紋管整體剛度越大，壓縮距離增大會導致膜片之間的貼合干涉現象加劇致使波紋管剛度增大。

金屬波紋管；焊縫尺寸；壓縮距離；剛度

0 引言

波紋管補償器通過調節波紋壓縮位移量，實現各工況下產生的機械位移、熱膨脹的補償[1-2]。其工作原理為依據焊接金屬波紋管兩側氣液腔壓力變化自動改變初始壓縮距離，進而完成液腔中工質擠出量的調節。因此焊接金屬波紋管的整體剛度大小是不同工況下壓縮位移自動調節功能實現的關鍵因素，直接決定金屬波紋管補償器性能的優劣。焊接金屬波紋管的整體剛度受膜片尺寸、波形及波數等眾多參數影響。黃笑梅、王占生等[3-5]結合仿真及試驗的方法開展了金屬膜片厚度、波數、波形對焊接金屬波紋管的剛度影響研究。焊接金屬波紋管的膜片材料屬性及接觸也會對焊接金屬波紋管組的整體彈性產生影響。婁路亮、劉江等學者[6-7]從金屬膜片的材料本構方程及接觸方面開展焊接金屬波紋管剛度的影響研究。除此之外，焊接金屬波紋管上下膜片之間的焊接形式及形貌對波紋管強度有影響。王升林、Stephen O、Zhang D K等[8-10]開展了焊接接頭形貌對焊接金屬波紋管受力情況的影響研究。目前焊接金屬波紋管剛度的有限元分析，通常采用單組波的模型進行仿真計算并用單組波計算獲得的剛度值除以整體波數后獲得的剛度值作為整體焊接金屬波紋管的剛度值，此方式忽略膜片之間貼合干涉帶來的剛度差異。還有一些仿真計算雖然是進行全波數建模，計算其整體剛度。但是未考慮同一焊接金屬波紋管不同焊接波組之間焊接尺寸的差異性。本文結合焊接金屬波紋管各膜片切片有效熔寬、熔深統計數據，完成不同焊接尺寸的焊接金屬波紋管整體2D軸對稱建模。依據X光影像確定焊接波紋管上下膜片貼合部位并在仿真時對貼合部位設置非線性接觸，解決以往焊接尺寸和上下膜片貼合情況未知造成仿真計算剛度與實測剛度偏差較大的問題。通過實驗數據和有限元仿真結果的對比與分析，開展焊縫尺寸對焊接金屬波紋管整體剛度的影響研究。

1 焊接金屬波紋管剛度差異對比

1.1 焊接金屬波紋管簡介

焊接金屬波紋管屬于薄壁軸對稱結構，由厚度0.2mm的雙正弦型金屬膜片通過氬弧焊焊接而成，其中金屬膜片采用AM350不銹鋼板壓制而成。通過氬弧焊焊槍先兩、兩焊接金屬膜片內圓焊縫，再進行焊接外圓焊縫，其中內圓、外圓焊縫均為等厚端接焊縫，最后焊接上下封頭形成完整的焊接金屬波紋管。焊接金屬波紋管具有良好的密封性和抗力學振動特性且能有承受較大的壓力。因其金屬膜片較薄使其整體軸向剛度較小，在受到較小內外壓差下均能調整壓縮量，因此具有較好的動作靈活性和擠出性能。

圖1 焊接波紋管組件實物圖

1.2 焊接金屬波紋管理論計算和實測剛度對比

焊接金屬波紋管依據內外側氣液腔壓差實現軸向伸縮，因此焊接金屬波紋管的軸向剛度對焊接金屬波紋管整體性能十分重要。國內外常采用下述的波紋管理論剛度計算公式[11]來預估整體金屬波紋管的剛度

式中為波紋管組件剛度，N/mm；為材料彈性模量，MPa；m為膜片中徑，mm；為膜片厚度，mm；為波數；為膜片寬度，mm；o為膜片外徑，mm；i為膜片內徑，mm；對該型號的金屬膜片產品進行隨機抽樣并測量其內外徑尺寸及厚度。抽樣件膜片測量參數如表1所示。

表1 金屬膜片抽樣尺寸參數

通過對抽樣結果分析可知該型號金屬膜片產品內外圓尺寸及厚度一致性較好，可知大部分膜片外圓尺寸應該為230.96mm，內圓尺寸在190.52mm，厚度為0.202mm。按照上述公式計算其焊接金屬波紋管剛度，該型號不同批次的焊接金屬波紋管剛度應為2.387N/mm。通過統計該同型號不同批次的焊接金屬波紋管實測剛度并與該型號金屬波紋管理論計算剛度進行對比，發現13臺焊接金屬波紋管剛度散度較大。焊接金屬波紋管實測剛度偏離理論計算剛度情況如圖3所示。

圖3 不同批次焊接金屬波紋管組件剛度

通用理論剛度計算公式獲得的剛度和圖3不同批次產品剛度分布分析可知除材料參數、波數及膜片尺寸數據外還有其他因素對焊接金屬波紋管的剛度影響較大。通過對比分析不同批次產品的生產記錄數據發現不同批次產品的焊縫熔寬尺寸有差別。

1.3 焊縫尺寸對壓縮端約束反力的影響研究

在該波紋管膜片焊接時保持焊槍的速度、電流及電壓的一致性可保障焊接處焊縫的質量滿足要求。參照該型號產品焊接速度、電流及電壓等工藝要求進行膜片試焊并對焊接結構進行金相檢查，其焊縫形貌如圖4所示。對試焊件膜片組內外圓焊縫尺寸參數進行測量發現內外圓焊縫熔寬及熔深在不同的范圍內，具體如表2所示。

表2 試焊件膜片組有效熔寬與熔深

根據上下限焊縫的熔深和熔寬分別繪制兩組膜片焊接結構并進行仿真計算，下限焊縫尺寸結構對應小焊頭，上限焊縫尺寸結構對應大焊頭。對兩種尺寸對應的大小焊頭模型進行下端固定約束，上端壓縮位移均為1mm。獲得上端壓縮位移處的支反力結果圖5和圖6所示，其中下限焊縫尺寸結構的焊頭處變形為0.0506mm、支反力為185.69N，上限焊縫尺寸結構的焊頭處變形為0.0518mm、支反力為178.11N。通過不同焊頭尺寸結構在相同條件下的變形情況可知相比于大焊頭，小焊頭的變形量較小且正弦波型附近的變形有較大影響。因此小焊頭會提高單組焊接金屬膜片組整體的剛度。由胡克定律可知在相同壓縮位移下，所需壓縮力越大則結構剛度越大。因此下限焊縫尺寸結構（小焊頭）剛度（Min=185.69N/mm）大于上限焊縫尺寸結構（大焊頭）剛度（Max=178.11N/mm）。因此證明焊縫尺寸差異對焊接金屬波紋管的整體剛度有較大影響。

2 焊縫尺寸對整體剛度的影響研究

2.1 焊縫有效熔寬與熔深的關系

選取該型號某臺產品的焊接金屬波紋管進行等間隔焊接膜片組標記及排序（13處），并測量標記處的內外圓焊縫有效熔寬，如表3所示。

然后對標記處的膜片組進行切片并做金相檢查，然后測量不同標記處的焊縫有效熔深。最后根據所測得的有效熔寬和熔深數據進行內外圓焊縫熔寬和熔深的關系擬合獲得內外圓焊縫熔寬和熔深的擬合曲線，擬合曲線如圖7所示。

表3 內外圓焊縫熔深熔寬對應表

2.2 全焊縫形貌的建模及計算

對某批次產品進行熔寬測量并根據上述焊縫熔寬與熔深擬合關系式計算該條焊縫的熔深數值，最后依據熔深和熔寬數值進行全模型焊接金屬波紋管建模。對同批次產品充壓使其有一定壓縮位移后進行X光檢測，根據影像結果設置仿真模型中焊接金屬上下膜片接觸位置。在小沖壓壓力下即小壓縮量下，內外焊縫焊菇上下膜片夾縫處無明顯貼合情況，在壓縮量增大上下膜片在膜片焊接直線段處開始貼合，且貼合情況不同。仿真計算中對全模型內外焊接直線段貼合位置設置接觸，接觸類型為frictionless。計算模型進行下端固定，計算11種壓縮距離下上端壓縮約束處的約束反力。

在給定的各壓縮距離下發現焊接金屬波紋管在受壓時各膜片之間存在貼合干涉問題，該貼合干涉的存在導致膜片變形和受力發生變化。75mm和95mm壓縮距離下的焊接金屬波紋管上下膜片貼合干涉情況如圖8所示。

圖8中紅色線框為上下膜片內外圓焊頭附近直線段膜片部位，通過對比分析可知上下膜片內外圓焊頭附近直線段膜片部位貼合情況不同。同一壓縮距離下不同部位膜片組的貼合干涉情況存在差異，不同壓縮距離下的同區域膜片貼合干涉情況也存在不同。

對比不同壓縮量下相同內外焊縫位置的應力，發現同一組內外膜片，外圓焊縫整體應力小于內圓焊縫，對于內圓焊縫，焊縫直線段膜片外側應力大于焊縫直線段膜片夾縫內側應力。對于外圓焊縫，焊縫直線段膜片外側應力小于焊縫直線段膜片夾縫內側應力。從小壓縮量（5mm）和大壓縮量（85mm）相同焊縫位置的應力分布趨勢相同。因此可知隨著壓縮量的增大，相同位置的應力結果也逐漸增大。在較大的應力下，上下膜片夾縫之間的間隙減小進而產生貼合進而導致焊接波紋管剛度增大。應力分布結果如圖9和圖10所示。

采用彈簧試驗機對焊接金屬波紋管整體剛度進行測量。通過給定不同的壓縮距離和獲得相應壓縮距離下對應的彈簧力。該批次焊接金屬波紋管各壓縮距離和彈簧反力實測值的關系如圖11所示。依據上述仿真計算獲得的相同11組壓縮距離下的支反力與對應壓縮位移下的實測彈簧力對比，對比圖如圖12所示。

通過圖11和圖12分析可知在壓縮距離為75mm內，壓縮距離和彈簧力成正比例關系。壓縮距離在75mm至105mm之間時，隨著壓縮距離的增加波紋管上下膜片之間貼合干涉現象嚴重致使彈簧力急劇增大。其中在壓縮距離為105mm時，實測彈簧力（254MPa）和仿真計算值（241.81MPa）之間的誤差為4.7%。

圖11 壓縮距離與彈簧力關系圖

圖12 實測-仿真壓縮距離與彈簧力對比圖

3 結論

1) 通過對單組焊接波紋管仿真分析，發現焊縫尺寸大小對焊接金屬波紋管整體剛度影響較大，焊縫尺寸越小焊接金屬波紋管整體剛度越大。除此之外同條焊縫的熔寬值和其對應的熔深值存在正相關關系。

2) 通過對含不同焊接接頭的全波數波紋管模型進行仿真分析，發現焊接金屬波紋管在一定壓縮距離下膜片之間存在貼合干涉現象。隨著壓縮距離的增大，上下膜片貼合干涉現象加劇致使整體波紋管剛度增大。

3) 通過對比不同壓縮量下相同位置處內外焊縫應力情況，發現同一組內外膜片中外圓焊縫附近區域應力小于內圓焊縫附近應力。隨著壓縮量的增大，相同位置的應力也逐漸增大。上下膜片焊接形成的夾縫間隙減小進而產生貼合，導致在大壓縮量下焊接波紋管剛度增大。

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Study on the Effect of Weld Size on the Stiffness of Welded Metal Bellows

FENG Zhen NIE Shuai TIAN Ji-yun MA Shi-Hua HU Ting-Ting

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076,China)

Based on the measurement data of weld size and morphology of each slice of welded metal bellows and the fitting relationship data between effective weld width and penetration depth, the 2D axsymmetric full model is drawn, and the influence of weld size on the overall stiffness of welded metal bellows is studied by finite element analysis method. It is found that the weld size and the bonding interference between the upper and lower diaphragms have a great impact on the stiffness of the welded metal bellows. The smaller the weld size, the greater the overall stiffness of the welded metal bellows. The increase of the compression distance will aggravate the bonding interference between the upper and lower diaphragms, resulting in the increase of the stiffness of the welded metal bellows.

Welded metal bellows; Weld size; Compression distance; Stiffness

V416

A

1006-3919(2022)02-0008-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.002

2022-01-25；

2022-03-04

馮震（1978—），男，高工，研究方向：空間溫控系統與熱控流體回路；（100076）北京市9200信箱11分箱.