摘要
波纹金属软管在实际工程应用中作为重要的管道补偿元件，其中核心部位为金属波纹管。金属波纹管因具有体积小、减震性良和密封性强等特点而被广泛应用在诸多行业领域中。在实际生产制造中首先将板材卷焊制成直缝焊管，再将直缝焊管通过胀形工艺制成所需波形结构的金属波纹管。然而研究人员在对金属波纹管的成形性能和弯曲性能进行仿真分析时，往往会忽略直缝焊管的焊接区材料特性对整个管材成形质量和使用寿命的影响。因此，本文运用MSC.MARC有限元软件，对金属波纹管进行“焊接-胀形-弯曲”的全流程集成化仿真，分析金属波纹管在直缝焊管和波纹管成形过程中应力演变规律，探究焊接残余应力对金属波纹管反复弯曲变形性能和疲劳破坏的影响。并结合弯曲变形试验和微观组织分析，进一步揭示带焊缝金属波纹管反复弯曲破坏的失效机制。 采用TIG焊接工艺对0.3mm厚的316L不锈钢薄板进行焊接，然后分别在母材位置、垂直于焊缝位置和平行于焊缝位置切取拉伸试样，并进行微观组织分析和力学性能测试。结果表明，直缝焊管母材轴向拉伸的抗拉强度和延伸率分别为766MPa和90%，环向抗拉强度和延伸率分别为763MPa和66%，具有明显的各向异性；在垂直于焊缝强度方向抗拉强度和延伸率分别为785MPa和55%，在平行于焊缝强度方向抗拉强度和延伸率分别为804MPa和68%；垂直于焊缝方向拉伸时，拉伸试样的断裂位置在母材区，并不在焊缝处，焊缝强度高于母材；平行于焊缝方向拉伸时，断口位置与母材相同，焊缝区的拉伸断口韧窝尺寸远小于母材位置的韧窝尺寸；母材位置在拉伸变形时，奥氏体晶粒内部首先产生大量滑移线，并逐渐在断口附近形成纤维组织，且轴向纤维组织较环向分布广泛。 建立金属波纹管“焊接-胀形”过程的集成化有限元模型，对直缝焊管焊接过程以及焊后波纹管胀形过程进行有限元仿真，得到了焊接残余应力在波纹管成形过程中的分布及演变规律。结果表明，焊管具有最大的轴向残余应力值，而环向残余应力对波纹管后续液压胀形过程影响最为显著；胀形结束卸载后，等效应力最大值出现在波谷位置的母材区，而等效应变最大值出现在波峰的焊缝处。 分别建立“焊接-胀形-弯曲”和“等效焊接-胀形-弯曲”过程的集成化有限元模型，将两种集成模拟结果进行对比，发现两组模型应力应变场分布基本一致，变形过程中均为轴向应力最大。当循环变形达到极限时，应力破坏危险区均位于固定端第一个波谷靠近热影响区的母材位置，说明在有限元模拟时可用等效焊接模型来替代焊接过程模拟。 通过金属波纹管反复弯曲变形试验对数值模拟结果进行了验证，证明应力破坏危险区位于固定端第一个波谷靠近热影响区的母材位置，验证了模拟的准确性和可行性。通过对波纹管反复弯曲断口形貌和微观组织进行观察分析，揭示了金属波纹管的断裂形式为疲劳引起的穿晶断裂。
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