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差厚拼焊管内高压成形规律研究

作　者: 初冠南
导　师: 苑世剑；刘钢
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 管材焊接内高压成形液压成形焊缝移动塑性变形
分类号: TG394
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

差厚拼焊管内高压成形是用不同壁厚的焊接管材做为坯料,通过在管材内施加液体压力把管材成形为所需形状的零件。它可实现变厚度空心变截面构件成形、优化材料分配,提高设计自由度,进一步减轻结构质量。本文研究了差厚拼焊管内高压成形的塑性变形规律,给出了成形过程中不同厚度管材的变形特征及应力应变状态,揭示了差厚拼焊管成形的焊缝移动规律及壁厚分布规律。研究了胀形过程中薄壁管和厚壁管的几何形状差异,分析了焊缝位置和壁厚差异对拼焊管膨胀率的影响规律,并通过塑性理论阐述了差厚拼焊管开裂压力的变化规律。结果表明:差厚拼焊管内高压胀形时,薄壁管的几何形状为椭球形,厚壁管的几何形状为圆锥形。薄壁管的膨胀率始终大于厚壁管的膨胀率。增大厚壁管占比例或减小拼焊管的壁厚差异可降低薄壁管和厚壁管间的膨胀率差异。差厚拼焊管的开裂压力介于薄壁管和厚壁管的开裂压力之间,并随着厚壁管占比例的增大而增大。从理论上证明了薄壁管越短,胀形时其轴向曲率半径越小,薄壁管所能承受的胀形压力增大。从而可降低薄壁管与厚壁管间的膨胀率差异。给出了胀形过程中薄壁管、厚壁管和焊缝的应力应变状态和各应力分量之间的大小关系,并分析了焊缝位置和壁厚差异对应力状态和应变状态的影响规律。结果表明:差厚拼焊管内高压成形时薄壁管中部首先进入塑性变形,然后自管坯中部向两侧同时扩展,而厚壁管靠近焊缝一端先进入塑性变形,随着内压的增大,塑性区逐渐扩展至另一端。胀形过程中薄壁管、厚壁管和焊缝同为双拉应力状态。薄壁管的轴向应力与环向应力比始终大于1/2,而厚壁管和焊缝的轴向应力与环向应力比始终小于1/2。焊缝位置和壁厚差异变化时,拼焊管各区域的应力状态保持不变。胀形过程中拼焊管环向均为拉应变状态,但轴向应变状态不同,薄壁管轴向处于拉应变状态,而厚壁管靠近焊缝区域轴向处于压应变状态。通过对焊缝移动过程的分析,揭示了焊缝移动规律及其对塑性变形的影响,给出了拼焊管内高压成形时的轴向应变分布特征。指出差厚拼焊管内高压成形时焊缝发生移动,移动方向为由薄壁管一侧移向厚壁管一侧。焊缝移动起始于厚壁管开始膨胀变形时刻,终止于焊缝处管坯贴模。壁厚差异越大,焊缝移动量越大。当厚壁管占比例小于65%或厚壁管与薄壁管的壁厚比大于1.6时,焊缝移动集中发生在薄壁管贴模的中后期,导致焊缝两侧的轴向应变急剧增大。并从理论上证明了焊缝发生移动的力学机理为壁厚差异导致薄壁管的轴向应力与环向应力比大于1/2,而厚壁管的轴向应力与环向应力比小于1/2,进而导致整个成形过程中,薄壁管轴向始终处于拉应变状态而发生伸长变形,厚壁管靠近焊缝区域轴向始终处于压应变状态而发生压缩变形,从而引起焊缝移动。分析了差厚拼焊管内高压成形的壁厚分布规律。指出差厚拼焊管内高压成形时薄壁管的减薄率大于厚壁管的减薄率。薄壁管越靠近焊缝区域减薄率越大,而厚壁管越靠近焊缝区域减薄率越小,焊缝附近减薄率发生突变。拼焊管的壁厚差异越大,薄壁管和厚壁管的减薄率差异越大。增大拼焊管中厚壁管占比例,可一定程度上提高减薄率分布均匀性。薄壁管和厚壁管处于不同的轴向应变状态且焊缝移动集中发生在薄壁管贴模的中后期是引起减薄率分布不均的主要原因。通过改变薄壁管和厚壁管的变形顺序可提高拼焊管件的减薄率分布均匀性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-36
  1.1 引言  13
  1.2 研究背景  13-18
    1.2.1 拼焊板成形技术  15-16
    1.2.2 内高压成形技术  16-17
    1.2.3 拼焊管内高压成形的提出  17-18
  1.3 拼焊管内高压成形的过程及特点  18-19
    1.3.1 拼焊管内高压成形过程  18-19
    1.3.2 拼焊管内高压成形特点  19
  1.4 拼焊板成形的应用现状及研究进展  19-25
    1.4.1 拼焊板成形的应用现状  19-20
    1.4.2 拼焊板成形的研究进展  20-25
  1.5 变径管成形的应用现状及研究进展  25-30
    1.5.1 变径管成形的应用现状  25-27
    1.5.2 变径管内高压成形的研究进展  27-30
  1.6 拼焊管内高压成形的研究进展  30-34
  1.7 课题研究的目的及意义  34
  1.8 本课题研究的主要内容  34-36
第2章差厚管坯焊接接头力学性能表征  36-45
  2.1 引言  36
  2.2 差厚拼焊管坯材料和几何尺寸  36-38
    2.2.1 实验材料  36
    2.2.2 管坯的几何尺寸  36-37
    2.2.3 管坯预处理  37-38
  2.3 焊接工艺  38
  2.4 焊接接头力学性能测试  38-44
    2.4.1 单向拉伸性能分析  39-40
    2.4.2 硬度测试  40-42
    2.4.3 胀形性能测试  42-43
    2.4.4 金相组织分析  43-44
  2.5 本章小结  44-45
第3章差厚拼焊管内高压成形塑性变形特征  45-67
  3.1 引言  45
  3.2 研究方案和方法  45-48
    3.2.1 研究方案  45-47
    3.2.2 胀形实验  47
    3.2.3 有限元数值模型  47-48
  3.3 差厚拼焊管胀形中几何形状变化规律  48-56
    3.3.1 几何形状分析  48-52
    3.3.2 曲率半径变化规律  52-53
    3.3.3 膨胀率变化规律  53-55
    3.3.4 膨胀速率变化规律  55-56
  3.4 差厚拼焊管开裂压力变化规律  56-63
    3.4.1 焊缝位置对开裂压力的影响  56-57
    3.4.2 壁厚差异对开裂压力的影响  57-58
    3.4.3 开裂压力变化的理论解析  58-63
  3.5 差厚拼焊管内高压胀形变形协调性规律  63-65
    3.5.1 变形协调性物理意义  63-64
    3.5.2 焊缝位置对变形协调性的影响  64
    3.5.3 壁厚差异对变形协调性的影响  64-65
  3.6 本章小结  65-67
第4章差厚拼焊管内高压成形应力应变分析  67-77
  4.1 引言  67
  4.2 塑性区的发生发展过程  67-68
  4.3 差厚拼焊管内高压成形应力状态分析  68-72
    4.3.1 薄壁管应力状态  69-70
    4.3.2 厚壁管应力状态  70
    4.3.3 焊缝应力状态  70-71
    4.3.4 焊缝位置对应力状态的影响  71-72
    4.3.5 壁厚差异对应力状态的影响  72
  4.4 差厚拼焊管内高压成形应变状态分析  72-75
    4.4.1 薄壁管应变状态  72-73
    4.4.2 厚壁管应变状态  73-74
    4.4.3 焊缝应变状态  74
    4.4.4 焊缝位置对应变状态的影响  74
    4.4.5 壁厚差异对应变状态的影响  74-75
  4.5 本章小结  75-77
第5章差厚拼焊管内高压成形焊缝移动规律  77-94
  5.1 引言  77
  5.2 研究方案  77-79
    5.2.1 实验方法  77-78
    5.2.2 有限元模型建立  78-79
  5.3 焊缝移动规律分析  79-87
    5.3.1 焊缝移动方向  79
    5.3.2 焊缝移动的发展过程  79-86
    5.3.3 焊缝位置对焊缝移动的影响  86-87
    5.3.4 壁厚差异对焊缝移动的影响  87
  5.4 焊缝移动的力学机理分析  87-93
  5.5 本章小结  93-94
第6章差厚拼焊管内高压成形壁厚分布规律  94-109
  6.1 引言  94
  6.2 壁厚分布规律分析  94-97
  6.3 减薄率分布不均的机理分析  97-100
  6.4 变形顺序对壁厚分布的影响  100-107
    6.4.1 变形顺序对壁厚分布的影响  100-101
    6.4.2 减薄率分布均匀性提高的机理分析  101-103
    6.4.3 偏移量和过渡角对壁厚分布的影响  103-107
  6.5 本章小结  107-109
结论  109-111
参考文献  111-120
攻读学位期间发表的学术论文  120-122
致谢  122-123
个人简历  123

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