近足球形封閉殼體無模熱塑性脹形的實驗研究

李瑞虎, 史 諾, 陳海峰

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

球形容器在石油、化工、冶金、核能以及城市建設(shè)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.其傳統(tǒng)的制造方法是先將球形容器劃分為許多球瓣，球瓣毛坯下料，球瓣熱模壓或冷模壓成形，成形后精密下料，現(xiàn)場組裝、焊接.制造過程需要專用的大型壓力機和模具，制造工序復(fù)雜，成本高，周期長，為此出現(xiàn)了爆炸法成型和液脹法成型技術(shù).

爆炸法成型是預(yù)先制造封閉的內(nèi)接多面體殼體，通過爆炸使殼體變形，最終成形為球形容器，但是安全性不易控制，容易造成安全隱患.液脹法成型也是預(yù)先制造封閉的內(nèi)接多面體殼體，通過通入高壓液體使殼體脹形，最終成形為球形容器.由于成形系統(tǒng)的復(fù)雜性,一直還沒有用于大型球形容器的制造.

大型球罐熱塑性成形技術(shù)是一項國家發(fā)明[1]，它是預(yù)先制造封閉的內(nèi)接多面殼體，對其加熱到熱塑性變形溫度，再把氣體通入殼體內(nèi)并達(dá)到一定壓力，使殼體逐漸變成球形容器.在高溫作用下，鋼材的性能發(fā)生很大的改變，強度降低，塑性增大，這樣我們就可以在一個較低的壓力下使殼體成形為球形容器.球形容器熱塑性成形原理圖如圖1所示.

它的主要工藝過程為：下料→拼焊成封閉的內(nèi)接多面殼體→加熱→充氣脹形.

圖1 球形容器熱塑性成形原理圖 圖2 近足球形殼體結(jié)構(gòu)

1 殼體結(jié)構(gòu)及材料

1.1 殼體結(jié)構(gòu)

殼體采用32面近足球形封閉結(jié)構(gòu)，由12個正五邊形板和20個正六邊形板組成，實物照片如圖2所示.其內(nèi)接于200 mm直徑的球，殼體材料為韌性、塑性及可焊性較好的Q235鋼板，板厚為1.5 mm，正五邊形板和正六邊形板邊長均為45 mm，采用氬弧焊焊接.

1.2 Q235鋼的力學(xué)性能

1.2.1 Q235鋼常溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù)[2, 3]

Q235鋼常溫力學(xué)性能如表1所示.Q235鋼常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線[4]如圖3中溫度t=20 ℃的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.

圖3 Q235鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

1.2.2 Q235鋼高溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

高溫下鋼材的力學(xué)性能是研究熱塑性成形的基礎(chǔ)，許多學(xué)者對高溫下鋼材的力學(xué)性能進行了大量的實驗研究和理論分析.

Lie(1994 )[5]、 Lie和Chabot(1990 )[6]用應(yīng)力強度(σ)和應(yīng)變強度(ε)給出了高溫下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，并按該模型得出了Q235鋼在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3中600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.

由圖3可以看出,高溫下鋼材屈服強度、抗拉強度不斷降低, 加工硬化程度很小.

2 球罐成形壓力計算

由于殼體在熱塑性成形過程中最終將成為球形殼體，而一般工業(yè)用大型球形容器均屬于薄壁容器，實驗同樣用薄壁殼體，故只考慮薄膜應(yīng)力.

當(dāng)溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度以上,在加工過程中金屬材料會發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,部分或全部消除加工硬化效果[7]，而在高溫成形過程中，成形硬化對熱塑性成形壓力影響較小,可忽略不計.

熱塑性成形所需壓力用下列公式計算[8]：

實驗溫度為900 ℃，圖3中900 ℃熱塑性成形對應(yīng)的屈服極限為14～16 MPa.

將屈服極限14～16 MPa等數(shù)據(jù)代入上式,得到球罐在900 ℃熱塑性成形時內(nèi)壓力范圍為0.42～0.48 MPa.

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 實驗儀器

SX2-20-12箱式電阻絲加熱爐、離心式空氣壓縮機、平臺、500高度尺、數(shù)碼相機等.

3.2 實驗方法及步驟

(1)制造近足球形封閉殼體，連接接管等.

(2)殼體放入溫度<300 ℃的加熱爐內(nèi)加熱，加熱的同時給殼體內(nèi)充入空氣，內(nèi)壓0.15 MPa，并用排氣閥調(diào)節(jié)保持殼內(nèi)壓力值穩(wěn)定，加熱到900 ℃并保持20 min.

(3)壓縮機緩慢給殼體內(nèi)充氣加壓，壓力達(dá)到設(shè)定壓力后充氣停止，并保溫保壓10 min，注意排氣閥調(diào)節(jié)保持殼內(nèi)壓力值穩(wěn)定.

(4)隨爐冷卻到500 ℃，排出空氣，從爐中取出，空氣中冷卻.

(5)測量殼體變形數(shù)據(jù)及分析.

3.3 實驗結(jié)果及分析

實驗加熱溫度900 ℃，按計算的壓力范圍進行實驗，實驗一加內(nèi)壓0.35 MPa；實驗二加內(nèi)壓0.45 MPa.

3.3.1 實驗一結(jié)果及分析

加內(nèi)壓0.35 MPa，實驗后成形實物照片如圖4所示，成形實物局部照片如圖5所示，殼體產(chǎn)生了明顯的變形, 五邊形板、正六邊形板凸起.由圖5可見焊縫產(chǎn)生了明顯變形，3條焊縫交匯處有較小局部變形.

圖4 內(nèi)壓0.35 MPa成形實物照片 圖5 內(nèi)壓0.35 MPa成形實物局部照片

測量殼體五邊形板和正六邊形板的變形量，圍繞殼體五邊形板和正六邊形板中心的大部分區(qū)域變形較大，如圖6、7陰影區(qū)域，圖6中五邊形板沿a-a截面中心凸起弧形高度3.8 mm，圖7中正六邊形板沿a-a截面中心凸起弧形高度6.8 mm.正六邊形板比五邊形板變形區(qū)域大，變形量大.

五邊形板、正六邊形板陰影區(qū)域外周區(qū)域變形量相對較小.

圖6 內(nèi)壓0.35 MPa殼體五邊形板變形效果圖 圖7 內(nèi)壓0.35 MPa殼體六邊形板變形效果圖

3.3.2 實驗二結(jié)果及分析

加內(nèi)壓0.45 MPa實驗后, 成形實物照片如圖8所示，成形實物局部照片如圖9所示，殼體的變形明顯比第一次大，五邊形板、正六邊形板產(chǎn)生了整體變形，焊縫縱向已經(jīng)形成圓弧形，殼體已經(jīng)成為一個球體——成形為目標(biāo)球.

從圖9可見3條焊縫交匯處成圓弧過渡, 在此小三角區(qū)沒有呈棱角狀凸起[9]，成形良好，但由于3條焊縫交匯處焊縫余高較高,該點焊縫突出.

圖8 內(nèi)壓0.45 MPa成形實物照片 圖9 內(nèi)壓0.45 MPa成形實物局部照片

測量殼體五邊形板和正六邊形板的變形量.五邊形板、正六邊形板產(chǎn)生了整體變形，圖10中五邊形板沿a-a截面其中心凸起弧形高度6.2 mm,圖11中正六邊形板沿a-a截面其中心凸起弧形高度10.7 mm.上極板處接管焊接處也產(chǎn)生了明顯的變形.

圖8是所成形的球體，質(zhì)量較好，成形后測量球殼圓度誤差小于0.2%.

4 結(jié)論

(1)實驗證明，球形容器熱塑性成形是完全可行的，實驗殼體成形后球殼圓度誤差小于0.2%.在熱塑性成形過程中，殼體板變形從中心開始，隨著壓力的增加，逐漸向周圍發(fā)展，達(dá)到需要壓力時形成整體變形；殼體板邊沿棱角處變形相對滯后；在三塊板的焊縫交匯處焊縫余高較高，焊縫突出，需嚴(yán)格控制焊縫余高或成形前修平焊縫余高.

(2)實驗證明球形容器熱塑性成形所需內(nèi)壓力計算的簡化模型是可行的，實驗檢測結(jié)果與計算結(jié)果一致.

(3)在高溫條件下成形時殼體表面容易產(chǎn)生氧化皮，在成形前可采用給殼體表面涂防止產(chǎn)生氧化的涂層等方法.

參考文獻

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[9] 劉 強.近足球形封閉殼體無模液壓脹形的實驗研究[J].鍛壓技術(shù)，2006，(4)：27～30.