劉欣，楊景超，李恒,*，張艷紅，楊智偉，谷箐菲，李光俊，黃丹

1. 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072 2. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610092

航空、航天、汽車等領(lǐng)域高端裝備對(duì)長壽命、高功效、輕量化和高可靠等需求的日益增加，迫切要求其關(guān)鍵構(gòu)件在材料上滿足輕質(zhì)高強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)上滿足緊湊設(shè)計(jì)的需求。管路構(gòu)件是各類高端裝備中不可或缺的一類關(guān)鍵構(gòu)件。為了滿足液壓、燃油、環(huán)控和各種介質(zhì)的傳輸需求以及作為結(jié)構(gòu)框架的應(yīng)用需求，需要將數(shù)量眾多的管路構(gòu)件進(jìn)行連接裝配組成管路系統(tǒng)。管路系統(tǒng)中的連接處往往為整個(gè)系統(tǒng)中最為薄弱的位置，且工作環(huán)境相當(dāng)苛刻。以航空液壓管路為例，它們不僅要承受外界高低溫以及高頻振動(dòng)，內(nèi)部也要承受流體的脈動(dòng)沖擊，且其對(duì)于連接強(qiáng)度、密封性與抗疲勞性均有較高要求，任意一處管路構(gòu)件連接的失效將嚴(yán)重影響整體裝備的工作效率、服役性能與使用壽命。因此，發(fā)展長壽命、高可靠的先進(jìn)導(dǎo)管端頭連接技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高端裝備制造的關(guān)鍵技術(shù)要求之一。管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)是一種精確、高效、高可靠以及環(huán)境友好的連接方式，且由于傳統(tǒng)焊接技術(shù)不適用于鋁與鈦合金、銅與高溫合金、金屬與復(fù)合材料等連接場合，采用管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)替代某些應(yīng)用領(lǐng)域中焊接技術(shù)也是管材連接領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)于塑性連接技術(shù)而言，接頭塑性成形、連接裝配過程與服役環(huán)境是影響管連接構(gòu)件服役性能的主要因素。針對(duì)各種不同應(yīng)用領(lǐng)域，人們提出了包括電磁變形連接、液壓變形連接與機(jī)械變形連接在內(nèi)的多種不同的管路構(gòu)件塑性連接方法。目前，隨著各種輕質(zhì)高強(qiáng)難成形管路材料如高強(qiáng)鈦合金管的使用比例不斷增加，以及對(duì)管路連接緊湊性與服役性能要求的不斷提升，發(fā)展先進(jìn)的管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)已經(jīng)成為成形制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

鑒于上述分析，本文分析討論了基于塑性變形的管路構(gòu)件連接技術(shù)國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)。首先針對(duì)電磁變形連接、液壓變形連接與機(jī)械變形連接3類管端接頭塑性成形工藝進(jìn)行了綜述與對(duì)比；然后總結(jié)了管路構(gòu)件裝配工藝研究現(xiàn)狀，并從連接強(qiáng)度、密封性、抗疲勞性等方面綜述了目前對(duì)管連接構(gòu)件服役性能的研究現(xiàn)狀；最后探討了目前管路構(gòu)件塑性連接成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 管路構(gòu)件塑性變形連接工藝研究進(jìn)展

1.1 管路構(gòu)件塑性變形連接原理

Mori等將管路構(gòu)件塑性變形連接原理分為力配合連接(Force/interference-fit Joining)與形配合連接(Form-fit Joining)。力配合連接是基于兩個(gè)零件的彈性恢復(fù)的差異所產(chǎn)生的變形后零件之間的干涉壓力。圖1為力配合原理示意圖，在管子內(nèi)部施加膨脹壓力，當(dāng)壓強(qiáng)超過管子屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性變形從管的內(nèi)表面發(fā)生并向外擴(kuò)展，當(dāng)管子與管套相接觸后，隨著成形壓力的增加，管套與管子一起膨脹；當(dāng)成形壓力釋放時(shí)，管套與管子都會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)；由于管子發(fā)生了塑性變形無法完全恢復(fù)，管套與管子之間將產(chǎn)生干涉壓力，在管套開始發(fā)生塑性變形前，管套與管子間接觸界面處將達(dá)到最佳干涉壓力。若進(jìn)一步增加成形壓力，由于管套發(fā)生塑性變形，干涉壓力只能得到很小程度的提升。力配合連接的連接強(qiáng)度取決于連接組件之間的摩擦系數(shù)、干涉壓力和接觸面積，增加摩擦系數(shù)與干涉壓力，提升接觸面積將有效提升連接強(qiáng)度。對(duì)于形配合連接，其連接組件之一需要具有凹槽或凸臺(tái)等幾何元素。圖2為形配合接頭的兩種形式，通過將被接管擠入凹槽中或?qū)⑼古_(tái)嵌入被接管中能極大的提升連接強(qiáng)度與密封性，因此目前的各種連接工藝一般會(huì)同時(shí)采用力配合與形配合的連接原理以獲得最高的連接可靠性。對(duì)于一些大口徑薄壁具有較好塑性成形性能的管路，可以通過工模具的配合使兩根被接管材在軸向壓縮載荷的作用下同時(shí)觸發(fā)失穩(wěn)，使其端頭發(fā)生卷邊配合形成連接，如圖3所示。這種連接方式不需要借助多余連接組件直接使管端發(fā)生連接，具有高效環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，能替代某些領(lǐng)域焊接。

圖1 力配合接頭連接原理圖[4]Fig.1 Principle of force-fit joint manufactured by expansion[4]

圖2 形配合接頭Fig.2 Form-fit joint

圖3 塑性失穩(wěn)連接過程[5]Fig.3 Illustration of tube-tube end plastic joining by compression instability[5]

在管路構(gòu)件塑性變形連接過程中，由于發(fā)生了塑性變形，材料的微觀組織與力學(xué)性能也將發(fā)生變化。圖4為Ti-3Al-2.5V管材在內(nèi)徑滾壓連接前后微觀組織的變化，冷軋Ti-3Al-2.5V管的微觀結(jié)構(gòu)是纖維狀的，β相分散分布在α相中，內(nèi)徑滾壓過程所帶來的冷軋變形會(huì)使α相晶粒破碎，纖維組織變得致密。可見管路構(gòu)件塑性變形連接過程是形性一體化成形過程，材料在這一過程中微觀組織的變化將顯著影響連接構(gòu)件整體性能。

圖4 內(nèi)徑滾壓過程微觀組織變化[6]Fig.4 Microstructure observation of undeformed and deformed area on transverse section of tube[6]

根據(jù)管路塑性變形連接工藝過程施加載荷方式的不同，將塑性連接工藝分為電磁成形連接、液壓成形連接與機(jī)械成形連接3大類，下面將針對(duì)這3大類工藝分別進(jìn)行綜述。

1.2 電磁成形連接

電磁成形連接(Electromagnetic Forming，EMF)是傳統(tǒng)焊接和鉚接過程的一種可能的替代方法，可用于連接異質(zhì)材料和管狀構(gòu)件，不涉及采用焊接連接時(shí)溫度升高所帶來的材料畸變與強(qiáng)度降低的問題，且具有模具成本低，連接速度快等顯著優(yōu)勢(shì)。

電磁成形是利用脈沖磁場成形高導(dǎo)電性金屬(如鋁)的高速過程。脈沖磁場的能量密度高，可用于工件的非接觸成形。如圖5所示，根據(jù)工具線圈和工件的布置，可通過電磁成形對(duì)管狀型材進(jìn)行壓縮或膨脹，工業(yè)上最常用的電磁成形工藝是對(duì)管狀工件進(jìn)行電磁壓縮連接?？梢钥闯鰹榱颂嵘姶胚B接的連接強(qiáng)度，連接組件中通常含有帶凹槽的芯軸或管套結(jié)構(gòu)，通過將被接管壓入凹槽發(fā)生一定的塑性變形并與另一連接組件形成緊密干涉配合以提升連接強(qiáng)度與密封性能。Golovashchenko通過改變磁壓，預(yù)測(cè)了給定長度和深度的凹槽所需的成形壓力，且發(fā)現(xiàn)凹槽深度的增加和寬度的減小會(huì)導(dǎo)致所需成形壓力的增加，以及連接強(qiáng)度的提升。Park等研通過直接將電磁壓力作為輸入變量對(duì)電磁連接過程進(jìn)行了有限元模擬和強(qiáng)度試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)接頭中凹槽的深度與半徑，是影響接頭強(qiáng)度的主要因素，增加相同結(jié)構(gòu)的凹槽對(duì)增加接頭強(qiáng)度沒有幫助，而將不同半徑或深度的凹槽組合在一起有助于提升連接強(qiáng)度。Weddeling等研究了3種不同的凹槽幾何形態(tài)對(duì)連接強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明凹槽的結(jié)構(gòu)為矩形槽時(shí)其連接強(qiáng)度最高，為三角形槽時(shí)連接強(qiáng)度最低。Hammers等研究了芯軸材料與其表面質(zhì)量對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通過提升芯軸的剛度和強(qiáng)度以及表面粗糙度能有效提升電磁成形的連接強(qiáng)度。可以看出目前針對(duì)電磁成形的研究多集中通過實(shí)驗(yàn)方法研究連接組件的材料、結(jié)構(gòu)與連接工藝參數(shù)對(duì)電磁連接強(qiáng)度的影響規(guī)律，缺乏能夠精確描述電磁成形過程材料快速變形特征的數(shù)值模擬研究。Psyk等認(rèn)為目前阻礙電磁成形被廣泛應(yīng)用的因素之一在于缺乏適用于電磁成形過程有限元軟件導(dǎo)致缺乏對(duì)電磁成形過程的定量模擬。

圖5 電磁成形原理示意圖[4,8]Fig.5 Process principle of electromagnetic[4,8]

1.3 液壓脹形連接

液壓脹形連接是一種基于流體的變形連接工藝，目前此工藝應(yīng)用領(lǐng)域主要包括管束式換熱器、凸輪軸以及輕型結(jié)構(gòu)框架。液壓脹形連接的成形過程可分為3個(gè)步驟，如圖6所示，首先將帶凹槽的接頭套在管子上，并將注水探針放入管中，然后通過水探針向間隙中注入加壓流體(水或其他液體媒介)，當(dāng)流體的壓力超過管子的屈服強(qiáng)度時(shí)，管壁發(fā)生塑性變形并與接頭的內(nèi)壁相接觸，管壁被擠壓入接頭的凹槽中，當(dāng)流體的壓力進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致管壁與接頭的同時(shí)膨脹，最大的流體壓力不能超過接頭的屈服強(qiáng)度，最后釋放流體壓力，管子與接頭同時(shí)發(fā)生回彈，由于管壁的回彈量小于接頭的回彈量，二者之間形成過盈配合。

圖6 液壓脹形連接工藝示意圖[15]Fig.6 Joining mechanisms and process sequence by die-less hydroforming[15]

Weber等提出了一種可用于矩形管連接的液壓脹形裝置，如圖7所示，其工藝原理與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱元件的連接原理相同，但脹形裝置中密封區(qū)域的設(shè)計(jì)不同，可分為非連續(xù)區(qū)域脹形和連續(xù)區(qū)域脹形，并建立了一種預(yù)測(cè)所需流體壓力的上下限的分析模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該分析模型的有效性。Gies等提出了一種預(yù)測(cè)所需液體壓力的計(jì)算方法，分析了不同凹槽幾何形狀連接試件的凹槽填充特性。此外，通過拉伸試驗(yàn)確定連接試樣的連接強(qiáng)度。結(jié)果表明，凹槽的坡口角度是影響連接強(qiáng)度的最重要因素。Weber等提出了一種液體壓接管路構(gòu)件連接方法，通過對(duì)管套外表面施加向內(nèi)的液壓，使管套與被接管發(fā)生力干涉連接，并利用ABAQUS建立了連接過程軸對(duì)稱有限元模型，采用數(shù)值模擬與拉脫試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了連接組件最大彈性應(yīng)變比對(duì)接觸強(qiáng)度的影響規(guī)律?？梢钥闯瞿壳皩?duì)于液壓變形連接的研究多集中于解析模型的建立與試驗(yàn)研究，尚缺乏能精確描述基于流體壓力成形特征的數(shù)值模擬研究。

圖7 矩形管液壓脹形方法[16]Fig.7 Hydroforming method of rectangular tube[16]

1.4 機(jī)械變形連接

將采用機(jī)械模具裝置對(duì)管端施加載荷完成管端塑性連接成形過程的連接工藝統(tǒng)一歸納為機(jī)械變形連接，所涉及到的連接工藝具體包括：擴(kuò)口式連接、彈性介質(zhì)脹形連接、剛性瓣模脹形連接、滾壓式連接、擠壓式連接、旋鍛連接、記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接以及局部塑性失穩(wěn)連接。

1.4.1 擴(kuò)口式連接

擴(kuò)口式接頭是航空液壓系統(tǒng)里使用最廣泛的連接形式之一，最常用的是37°擴(kuò)口，其他還有45°、60°和雙錐度擴(kuò)口等。對(duì)管端完成擴(kuò)口成形后，配合使用相應(yīng)的螺母和管套，使管子擴(kuò)口錐面與接頭錐面相互緊貼，形成金屬接觸面-面密封。圖8描述了單擴(kuò)口和雙擴(kuò)口兩種導(dǎo)管端頭連接結(jié)構(gòu)。擴(kuò)口式連接工藝最為關(guān)鍵的一步在于管端的擴(kuò)口成形過程。根據(jù)擴(kuò)口工藝方法的不同，擴(kuò)口加工可以分為以下3類：手工工具擴(kuò)口、沖壓擴(kuò)口和旋壓擴(kuò)口，其中手工工具擴(kuò)口由于加工質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低一般不被采用。單擴(kuò)口式管端一般采用沖壓的方法進(jìn)行成形，雙擴(kuò)口式管端一般需要采用多道次成形方法，具體成形工藝包括軸壓雙擴(kuò)口、滾波雙擴(kuò)口、沖壓雙擴(kuò)口，成形過程如圖9所示。

單擴(kuò)口連接是航空工業(yè)中應(yīng)用最早的剛性導(dǎo)管連接件，現(xiàn)在這種導(dǎo)管接頭仍廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外飛機(jī)的液壓、燃油和環(huán)控等管路系統(tǒng)。雙擴(kuò)口管外形與單擴(kuò)口管相似，雙擴(kuò)口管在擴(kuò)口段有內(nèi)、外兩層，且內(nèi)外兩層之間成一定夾角，雙擴(kuò)口連接結(jié)構(gòu)具有較大的彈性密封面，不但可保證良好的密封性，該類導(dǎo)管接頭處還可承受較大的軸向拉應(yīng)力，提高抗震強(qiáng)度。但雙擴(kuò)口式連接結(jié)構(gòu)只適用于較軟的鋁合金管材，雖然改善了抗震和密封性能，但最高設(shè)計(jì)壓力僅為21 MPa，只能滿足環(huán)控，滅火及供氧等管路壓力較低的系統(tǒng)。針對(duì)擴(kuò)口式連接工藝，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的研究方法，從成形工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、材料變形行為等多個(gè)方面展開了深入的研究，目前國內(nèi)外針對(duì)單擴(kuò)口工藝的研究較為充分，但仍缺乏關(guān)于雙擴(kuò)口工藝的研究。

圖8 單擴(kuò)口與雙擴(kuò)口連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of flaring and double flaring connection

圖9 雙擴(kuò)口成形工藝[20]Fig.9 Schematic diagram of double flaring process[20]

1.4.2 彈性介質(zhì)脹形連接

彈性介質(zhì)脹形連接工藝過程如圖10所示，通過擠壓置于管材內(nèi)部的橡膠等彈性介質(zhì)，使之沿管材壁厚方向膨脹，從而對(duì)管壁施加沿徑向向外的壓力，使管壁發(fā)生彈塑性變形并被擠入管套中的凹槽中，同時(shí)管套也發(fā)生一定的彈性變形，卸載后管材與管套發(fā)生干涉配合連接與形連接。針對(duì)這種連接工藝，李光俊和詹梅對(duì)被連接導(dǎo)管材料性能和端頭成形工藝進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，揭示了彈性介質(zhì)的擠壓深度與管材壁厚、擠壓壓力的關(guān)系，確定了導(dǎo)管端頭成形工藝參數(shù)。Yang等采用有限元模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了管接頭內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)連接成形質(zhì)量的影響，確定了合理凹槽結(jié)構(gòu)、擠壓壓力范圍以及管材脹形高度范圍。Shirgaokar等采用數(shù)值模擬的方法，通過直接對(duì)彈性介質(zhì)施加徑向壓力使管端與帶有凹槽的芯軸發(fā)生形配合，如圖11所示。通過彈性體施加壓力使管端變形的方法能使管端變形更加均勻，并能成形具有復(fù)雜幾何形狀的溝槽且能避免劃痕的形成。

圖10 軸向擠壓彈性介質(zhì)脹形連接原理示意圖[33]Fig.10 Schematic presentation of clamping dies fabricating a tubular joint by elastomeric bulging process[33]

圖11 徑向彈性介質(zhì)脹形連接原理示意圖[4,36]Fig.11 Process principle of hydraulic crimping[4,36]

1.4.3 剛性瓣模脹形連接

Henriksen等為了解決采用焊接工藝制備的管道-法蘭連接結(jié)構(gòu)在天然氣存在的情況下進(jìn)行維護(hù)時(shí)需要大量停機(jī)時(shí)間的問題，提出了一種采用冷成形工具將管子塑性膨脹變形為標(biāo)準(zhǔn)法蘭的連接工藝，所采用的脹形結(jié)構(gòu)如圖12所示，冷成形工具主要部件包括擋圈、錐形分瓣膨脹工具、錐形壓頭和液壓驅(qū)動(dòng)活塞。在冷脹形過程中，液壓驅(qū)動(dòng)活塞壓縮，驅(qū)使分瓣的膨脹工具發(fā)生徑向分離，迫使管道冷變形至法蘭內(nèi)壁的凹槽中，與法蘭形成干涉連接與形連接。這種基于管道冷變形的機(jī)械法蘭連接技術(shù)有望使管道的安裝、檢查和維護(hù)更加安全，成本更低。

圖12 剛性瓣模脹形連接原理示意圖[37]Fig.12 Main components employed in Quick flange process[37]

1.4.4 滾壓式連接

1) 內(nèi)徑滾壓式連接

高強(qiáng)度鈦合金管因其優(yōu)異的力學(xué)性能在液壓管道系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但它又是一種強(qiáng)度高塑性差的難變形材料，上述的擴(kuò)口式連接與基于柔性介質(zhì)的脹形連接都難以應(yīng)用于這種管材的連接。內(nèi)徑滾壓成形(Internal Roller Swaging，IRS)是一種旋壓工藝，具有良好的耐高壓與密封性能，是具有連接高強(qiáng)鈦管潛力的先進(jìn)管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)，其連接原理如圖13所示，加載時(shí)，芯軸一邊旋轉(zhuǎn)一邊沿軸向進(jìn)給，使得3個(gè)輥?zhàn)釉谛据S的帶動(dòng)下一邊旋轉(zhuǎn)一邊沿管材壁厚方向移動(dòng)，使管材被壓入管套的凹槽中發(fā)生彈塑性變形，管套發(fā)生彈性變形；卸載時(shí)，由于鈦管和管套的彈性模量不同，二者同時(shí)發(fā)生不同的回彈，導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生干涉壓力，從而產(chǎn)生可靠的密封連接。Yang等采用有限元模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了高強(qiáng)鈦管在IRS成形過程中的非均勻流動(dòng)變形行為。張榮霞等從材料、設(shè)備、工藝優(yōu)化和性能驗(yàn)證等方面介紹了國內(nèi)28 MPa液壓鈦合金管路內(nèi)徑滾壓連接工藝。研究結(jié)果表明，這種基于增量變形的連接工藝在制造高強(qiáng)鈦管連接構(gòu)件方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過準(zhǔn)確控制被接管的變形量可有效提高構(gòu)件的連接可靠性。

圖13 內(nèi)徑滾壓連接過程示意圖[6]Fig.13 Joining mechanisms of Internal roller swaging[6]

2) 外徑滾壓連接

Marré等通過借鑒旋轉(zhuǎn)拋光(Rolling Burnishing)工藝的作用原理及其工具，通過采用硬質(zhì)輥?zhàn)釉诠懿耐獗谏蠞L動(dòng)對(duì)管子施加徑向壓縮力，使其與芯軸發(fā)生干涉連接，這種連接工藝被稱為外徑滾壓連接(Joining by Rolling)，其成形裝置如圖14所示，包括單輥成形裝置與多輥成形裝置，圖中①為被接管；②為連接組件，③為卡盤，④為滾輪工具。PrZybylski等討論了成形裝置與不同芯棒表面狀態(tài)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律，其研究結(jié)果表明多輥成形裝置的連接強(qiáng)度比單輥的高80%，當(dāng)芯棒表面存在凹槽結(jié)構(gòu)時(shí)能有效提升連接強(qiáng)度，同時(shí)在芯棒與管材之間增加粘接劑能使連接強(qiáng)度更高。

圖14 外徑滾壓連接過程示意圖[39]Fig.14 Principle of joining by external rolling[39]

1.4.5 擠壓式連接

1) 徑向擠壓式連接

徑向擠壓式連接廣泛應(yīng)用于各類飛機(jī)的液壓、氣動(dòng)、環(huán)控和燃油等系統(tǒng)中，其設(shè)計(jì)壓力可達(dá)20.7～27.6 MPa(3 000～4 000 psi)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)SAE的AS4459、Boieng公司的27D0001/27M101/BPS-F-142，公制標(biāo)準(zhǔn)采用ISO7169。徑向擠壓的原理圖如圖15所示，通過對(duì)接頭外壁施加擠壓變形力，使接頭與管子同時(shí)發(fā)生彈塑性變形完成干涉配合連接。歐陽小平等對(duì)這種連接方式進(jìn)行了綜述，但鮮見其余相關(guān)研究報(bào)道。

圖15 徑向擠壓式成原理圖[19]Fig.15 Schematic illustration of radial extrusion[19]

2) 軸向擠壓式連接

軸向擠壓式管接頭可應(yīng)用于高壓鈦合金管路(5 000 psi)與低壓的鋁合金管路(1 500 psi)的連接系統(tǒng)，滿足SAE AS5958標(biāo)準(zhǔn)要求。軸向擠壓式連接的原理如圖16所示，管接頭由帶齒槽結(jié)構(gòu)的管套與擠壓環(huán)構(gòu)成，在連接過程中，使用擠壓工具將擠壓環(huán)沿著管套軸向推進(jìn)，對(duì)管套和管子施加徑向壓縮力，使管套的齒槽結(jié)構(gòu)嵌入管壁，形成干涉連接。軸向擠壓式管接頭具有體積小、重量輕、裝配方便等顯著優(yōu)勢(shì)，僅需手持工具在少于60 s的時(shí)間內(nèi)就能完成裝配過程。

圖16 軸向擠壓連接原理示意圖[41]Fig.16 Schematic diagram of axial extrusion connection[41]

1.4.6 旋鍛連接

旋鍛成形技術(shù)起源于20世紀(jì)的美國，因其成本效益高，節(jié)約材料量大，廣泛應(yīng)用于汽車、航空等行業(yè)。旋鍛成形是一種增量成形工藝，它利用3個(gè)、4個(gè)或在特殊情況下多達(dá)8個(gè)鍛模圍繞工件一起排列，鍛模相對(duì)于工件在徑向和軸向同時(shí)移動(dòng)，其示意圖如圖17所示。鍛模在成形過程中執(zhí)行高頻徑向運(yùn)動(dòng)與短時(shí)沖擊，行程頻率范圍從1 500～10 000次/min，這種高頻沖壓和多向鍛造工藝有助于提高材料的塑性和變形均勻性?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，旋鍛工藝通常用于棒材的削尖、精密管的成形和2個(gè)工件的連接等領(lǐng)域。通過旋轉(zhuǎn)鍛壓工藝可以將不同直徑的管件連接在一起，由于重疊部分的正聯(lián)鎖和接縫處的附加焊接效應(yīng)，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度和耐用性的接頭。與焊接工藝相比，旋轉(zhuǎn)變形連接方法與材料和界面特性無關(guān)，克服了焊接工藝連接異質(zhì)管路構(gòu)件困難的問題。Zhang等針對(duì)旋鍛成形工藝連接不同直徑管子的工藝過程，采用模擬與試驗(yàn)研究方法，研究了成形參數(shù)對(duì)連接管件拉伸強(qiáng)度與連接機(jī)理的影響，研究結(jié)果表明在鋼管的重疊部位可以形成凹弧接頭，當(dāng)內(nèi)管端到鍛模中心的距離需要超過一定的值，搭接區(qū)域的長度應(yīng)超過變形區(qū)域的長度，最大應(yīng)變和最大應(yīng)力發(fā)生在兩管厚度變化較小的凹形連接區(qū)域，拉脫試驗(yàn)結(jié)果表明采用旋轉(zhuǎn)鍛壓法連接鋁管與銅管時(shí)其連接強(qiáng)度能達(dá)到鋁管拉伸強(qiáng)度的62%。

圖17 旋鍛連接工藝原理示意圖[41]Fig.17 Schematic diagram for rotary swaging connection method[41]

1.4.7 記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型功能材料，因其能發(fā)生熱彈性馬氏體相變而具有形狀記憶效應(yīng)，利用SMA的形狀記憶效應(yīng)對(duì)管路構(gòu)件進(jìn)行連接是其最早的商業(yè)應(yīng)用之一。形狀記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接技術(shù)因其高連接強(qiáng)度和高可靠性極具應(yīng)用前景。

根據(jù)記憶合金管接頭結(jié)構(gòu)的不同，記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接可分為永久式和可拆卸式。其中永久式連接采用一個(gè)帶內(nèi)脊的SMA管套對(duì)管端進(jìn)行連接，可拆卸式連接如圖18所示，采用SMA管套與SMA管接頭分別對(duì)管端進(jìn)行連接，隨后用外套螺母將管套與接頭擰在一起完成裝配過程。永久式與可拆卸式的SMA管連接件對(duì)管端的連接原理在本質(zhì)上相同，故連接工藝也類似，均是通過機(jī)加工獲得初始內(nèi)徑小于被接管外徑的管連接件，在特定低溫條件下對(duì)連接件進(jìn)行擴(kuò)徑加工使其卸載回彈后的內(nèi)徑大于被接管的外徑，在管端連接過程中將擴(kuò)徑后的管連接件套在被接管上至指定位置，在隨后的升溫過程中管連接件會(huì)發(fā)生收縮回復(fù)從而與被接管抱緊，其內(nèi)壁的內(nèi)脊咬進(jìn)被接管中使被接管發(fā)生塑性變形并形成線密封從而完成連接過程。目前應(yīng)用于制備管接頭最為成熟的記憶合金為NiTiFe形狀記憶合金，采用這種材料制備的管接頭在低溫?cái)U(kuò)徑后需放置于液氮中儲(chǔ)存運(yùn)輸，但裝配過程簡單便捷，只需手動(dòng)裝配、室溫自然升溫后即可完成連接。后續(xù)發(fā)展起來的NiTiNb形狀記憶合金管接頭克服了需液氮儲(chǔ)存的問題，降低了應(yīng)用成本，安裝時(shí)加熱到逆相變溫度以上即可完成形狀回復(fù)，工程應(yīng)用方便。

圖18 記憶合金可拆卸式連接Fig.18 Shape memory alloy pipe joining process

由于記憶合金變形機(jī)制的復(fù)雜性以及其作為管接頭應(yīng)用時(shí)所需經(jīng)歷的多工序復(fù)雜熱力加載條件，該技術(shù)在國內(nèi)尚未得到有效應(yīng)用。針對(duì)這一應(yīng)用背景，各國學(xué)者從形狀記憶合金原材料制備、形狀記憶合金的變形規(guī)律與機(jī)制、記憶合金管接頭連接工藝數(shù)值仿真與優(yōu)化研究等多個(gè)方面開展了廣泛的研究，結(jié)果表明，提升記憶合金的形狀記憶效應(yīng)與力學(xué)性能，優(yōu)化管連接件的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)是發(fā)展該項(xiàng)連接技術(shù)的研究重點(diǎn)。

1.4.8 局部塑性失穩(wěn)連接

局部塑性失穩(wěn)連接技術(shù)是一種有望替代傳統(tǒng)焊接的新型薄壁管路構(gòu)件連接工藝。Alves等利用軸向載荷作用下薄壁管產(chǎn)生平面外不穩(wěn)定波的能力，提出了一種非對(duì)稱軸壓局部塑性失穩(wěn)連接工藝，其具體過程、模具與樣件如圖19(a)所示，他們采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定了這種工藝的工藝流程與主要工藝參數(shù)，分析了材料的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模具，證明了這種工藝的可行性。隨后Alves等采用類似的方法研究了對(duì)稱軸壓局部塑性失穩(wěn)連接工藝，工藝過程如圖19(b)所示。Alves等于2017年又提出了一種類似的能保證管路構(gòu)件外徑一致性的內(nèi)扣型軸壓局部塑性失穩(wěn)連接工藝，可應(yīng)用于建筑工程中對(duì)管狀框架外觀要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，工藝過程如圖19(c)所示。Yu等建立了軸向壓縮失穩(wěn)工藝連接薄壁管的全過程數(shù)值仿真模型，并結(jié)合工藝試驗(yàn)詳細(xì)討論了幾何參數(shù)對(duì)工藝成形性能的影響，其研究結(jié)果表明，管端軸向受壓發(fā)生失穩(wěn)起皺變形是這種連接工藝的成形原理，因此在給定材料的條件下，管材自由端長度與管材半徑的比值以及管端的倒角是決定塑性連接工藝成敗的主要因素，管材的幾何參數(shù)必須滿足一定的臨界條件才能保證形成滿足要求的起皺，而且兩根管子的起皺輪廓要相互匹配才能形成具有足夠強(qiáng)度承受外部載荷的接頭。

圖19 塑性失穩(wěn)連接工藝[55-57]Fig.19 Illustration of tube-tube end plastic joining by com-pression instability[55-57]

1.5 各連接工藝的比較

將各種塑性連接工藝歸類為電磁變形連接、液壓變形連接與機(jī)械變形連接3大類，并針對(duì)每種具體工藝進(jìn)行了綜述，各種工藝的總結(jié)與對(duì)比如表1所示?？梢钥闯鲇捎诟鞣N連接工藝的成形原理不同，其應(yīng)用領(lǐng)域與連接質(zhì)量也不同。其中電磁變形連接、液壓變形連接、旋鍛連接以及局部塑性失穩(wěn)連接一般應(yīng)用于輕型結(jié)構(gòu)框架、加熱或通風(fēng)管路、齒輪軸等結(jié)構(gòu)的連接，故對(duì)密封性與耐高壓的要求不高；在機(jī)械式連接方法中，擴(kuò)口式連接的干涉力完全由螺母擰緊過程提供，管套與管端之間不存在力干涉與形干涉，故其連接強(qiáng)度與密封性能均不如后續(xù)發(fā)展起來同樣應(yīng)用于航空領(lǐng)域的滾壓式連接、軸向擠壓式連接和記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接。通過進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接與軸向擠壓式連接的服役性能要好于其他同樣以力干涉與形干涉為連接原理的連接方式，這是因?yàn)檫@兩種連接方式都是通過管套的收縮對(duì)被接管施加徑向壓接力對(duì)管端進(jìn)行連接，其中記憶合金式連接通過記憶合金管套與管接頭的形狀記憶效應(yīng)對(duì)管端進(jìn)行收縮式抱緊連接，軸向擠壓式連接是通過擠壓環(huán)的軸向強(qiáng)制裝配對(duì)管套施加徑向壓力完成對(duì)管端的收縮式抱緊連接，完成連接過程后兩種連接方式的被接管與管套的回彈方向相反，使得管套對(duì)被接管端具有更大的抱緊力從而提升了其耐高壓服役性能。而其余連接方式如彈性介質(zhì)脹形連接、滾壓式連接、徑向擠壓式連接等，被接管管端與芯軸或管套的變形方向相同，卸載后回彈方向也相同，使得這些連接方式的最高工作壓力一般不超過28 MPa，難以滿足更高工作壓力的應(yīng)用需求，且在服役過程中可能會(huì)出現(xiàn)高壓密封可靠而低壓發(fā)生泄漏情況。

表1 管路構(gòu)件塑性變形連接方法Table 1 Tube joining by plastic deformation

2 管路構(gòu)件裝配工藝研究進(jìn)展

2.1 裝配定位與精度檢測(cè)

對(duì)于各類介質(zhì)傳輸用途的管路構(gòu)件，一般需要對(duì)其進(jìn)行連接裝配組裝成管路系統(tǒng)。傳統(tǒng)的管路構(gòu)件裝配工藝通過采用專用焊接夾具對(duì)管路構(gòu)件進(jìn)行定位，由于需要從裝備中取樣并做成樣管，然后根據(jù)樣管制備夾具，且整個(gè)裝配過程全靠人工操作，使得裝配周期長且可能需要反復(fù)修改裝配夾具，導(dǎo)致工作效率低且裝配管路尺寸一致性差。因此傳統(tǒng)的管路裝配工藝已難以滿足各先進(jìn)裝備高精度、多型號(hào)、短周期的制造需求。顧城歌等針對(duì)分段安裝的管路在有制造誤差的安裝接口裝配時(shí)需要人工費(fèi)時(shí)費(fèi)力修配分段管件的問題，提出了在數(shù)字化虛擬空間對(duì)管件進(jìn)行協(xié)調(diào)安裝再設(shè)計(jì)的方法，能夠?qū)Ψ秩芜M(jìn)行安裝的空間任意走向管路進(jìn)行協(xié)調(diào)求解，提供參數(shù)確定的協(xié)調(diào)指導(dǎo)結(jié)果；涂婉麗等針對(duì)船舶管路系統(tǒng)，在分析管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和裝配工藝基礎(chǔ)上利用Unity3D虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)了虛擬裝配方案，能夠?qū)苈番F(xiàn)場安裝階段進(jìn)行調(diào)試與指導(dǎo)，提升了船廠的生產(chǎn)效率。劉江省將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用到了管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，借助于數(shù)據(jù)手套、定位跟蹤器、立體眼鏡等虛擬設(shè)備，通過開發(fā)一系列的高效實(shí)用的算法，構(gòu)建了一個(gè)面向管路裝配的虛擬裝配系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。鄭聯(lián)語等設(shè)計(jì)并制備了面向管路構(gòu)件裝配的自動(dòng)化可重構(gòu)柔性工裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)由配置系統(tǒng)、控制體統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成，通過配置系統(tǒng)軟件生成管路模型對(duì)應(yīng)的管路工裝的實(shí)例模型和配置信息文檔，并通過控制體系生成相應(yīng)的控制指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)完成管路構(gòu)件高精度自動(dòng)化裝配，其中機(jī)械體統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖20所示，主要由龍門型位移臺(tái)、管接頭定位器、管接頭末端夾持器和工裝底座平臺(tái)4部分組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管接頭空間位置的精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管路構(gòu)件的自動(dòng)化裝配。可見通過基于數(shù)值模擬仿真的虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行管路系統(tǒng)布局與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柔性組合夾具進(jìn)行管路構(gòu)件自動(dòng)定位與裝配，能有效提升整體管路的設(shè)計(jì)制造的效率與精度。

由上述研究可知，隨著虛擬裝配與數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，管路構(gòu)件的裝配工藝已逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，裝配效率與質(zhì)量顯著提升。然而對(duì)于飛機(jī)、船舶等大型裝備而言，由于其管路系統(tǒng)過于龐大與復(fù)雜，在大部分裝配與裝配精度檢測(cè)階段，人工裝配作業(yè)仍然占據(jù)了主要地位。為此，人們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality, AR)，可將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)場景中，對(duì)工人進(jìn)行裝配技能培訓(xùn)、裝配過程指導(dǎo)與裝配結(jié)果檢查，從而提升人工裝配過程的效率與質(zhì)量。唐健鈞等綜述了AR技術(shù)在航空裝配領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀并提出了一種飛機(jī)裝配作業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智能引導(dǎo)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了在液壓管路裝配過程的實(shí)時(shí)引導(dǎo)和裝配結(jié)果的智能檢查。張秋月和安魯陵綜述了VR與AR技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中的應(yīng)用，指出將VR與AR相結(jié)合的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Mixed Reality, MR)可以對(duì)裝配所需的大量信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理，拓展了操作人員對(duì)于信息獲取的渠道和范圍，并降低了對(duì)操作人員視覺空間能力的要求，可大大減少裝配誤差的產(chǎn)生并提升裝配效率。張?zhí)灬槍?duì)大尺寸復(fù)雜彎管空間參數(shù)的測(cè)量精度難以保障、測(cè)量效率低的問題，提出一種基于多目視覺的非接觸式彎管空間參數(shù)測(cè)量方法。羅月迎等針對(duì)傳統(tǒng)船用彎管接觸式測(cè)量方法工作量大，精度不高，可能使管件表面變形而導(dǎo)致測(cè)量失真的問題，首次提出了一種新的基于機(jī)器視覺的船用彎管測(cè)量方法，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)雙目相機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)。譚本能和唐純純以航空導(dǎo)管的矢量管形和增量管形規(guī)則為基礎(chǔ)，分析了導(dǎo)管的幾何特征，總結(jié)出在普通三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行導(dǎo)管外形測(cè)量的具體方法。

圖20 管路構(gòu)件自動(dòng)化可重構(gòu)柔性工裝系統(tǒng)[60,63]Fig.20 Mechanical system of pipeline fixture system[60,63]

2.2 裝配誤差與擰緊力矩

在包含眾多的直管和彎管構(gòu)件的管路系統(tǒng)連接與定位過程中，彎管件的彎曲誤差、回彈角以及各零件的定位誤差，難以避免會(huì)造成裝配誤差，而由裝配誤差所引發(fā)裝配應(yīng)力會(huì)極大的影響管路系統(tǒng)的服役性能。圖21為在飛機(jī)導(dǎo)管裝配過程中裝配誤差示意圖，飛機(jī)導(dǎo)管的裝配一般采用三步法，第1步，將導(dǎo)管的左端頭、右端頭分別與飛機(jī)上的固定接頭對(duì)齊、同心；第2步，將導(dǎo)管中間部位固定在卡箍定位點(diǎn)上；第3步，擰緊導(dǎo)管左、右端頭的外套螺母。可見在裝配過程中可能會(huì)出現(xiàn)的誤差包括導(dǎo)管端頭中心點(diǎn)與固定接頭中心點(diǎn)的角度偏差、對(duì)接間隙與錯(cuò)位情況，需要控制這3種誤差在合理范圍內(nèi)才能使導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)可靠裝配連接。另外，對(duì)管接頭螺紋端施加的擰緊力矩也是影響導(dǎo)管安裝質(zhì)量的因素之一。適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩有利于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管與管接頭的充分接觸，保證管路的密封性能；而過大的擰緊力矩容易使管接頭超過其承載極限，破壞結(jié)構(gòu)的完整性，造成管路系統(tǒng)發(fā)生滲漏。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3054—97《飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝要求》對(duì)導(dǎo)管安裝的角度偏差、徑向偏差以及長度方向的偏差都給出了具體要求。國家航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 7000—2008《24°無擴(kuò)口導(dǎo)管安裝擰緊控制及試驗(yàn)要求》規(guī)定了24°無擴(kuò)口導(dǎo)管連接件在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)和在飛機(jī)上安裝時(shí)控制擰緊程度的要求以及重復(fù)裝配試驗(yàn)的方法和要求。

圖21 飛機(jī)導(dǎo)管裝配誤差示意圖[70]Fig.21 Schematic illustration of assembly process of aircraft ducts[70]

裝配工藝會(huì)直接影響管路構(gòu)件的服役性能，為此人們多采用數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)裝配工藝尤其是擰緊力矩與裝配誤差對(duì)服役性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究。於為剛通過數(shù)值仿真模擬研究了擰緊力矩與裝配誤差對(duì)航空液壓擴(kuò)口式管路連接件密封性能的影響規(guī)律，構(gòu)建了管道安裝應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了裝配應(yīng)力對(duì)管道固有特性的影響規(guī)律。衡波志通過MSC. NASTRAN有限元分析了雙卡套式管接頭裝配時(shí)所需預(yù)緊力的合理范圍。周鑫等采用有限元分析的方法，對(duì)球頭-錐面連接結(jié)構(gòu)在不同的安裝對(duì)中精度條件下產(chǎn)生的密封狀態(tài)進(jìn)行了接觸分析，研究結(jié)果表明裝配對(duì)中偏差對(duì)密封性能影響較大，為安全起見，對(duì)中偏差要控制在0.2°范圍內(nèi)。陳果等使用ANSYS軟件對(duì)管道初始安裝應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，其研究結(jié)果表明安裝應(yīng)力會(huì)使管道的各階固有頻率發(fā)生不同程度的變化。隨后陳果等采用錘擊法對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了安裝應(yīng)力對(duì)管道固有頻率的影響規(guī)律。冉光斌等運(yùn)用二階響應(yīng)面設(shè)計(jì)理論，在有限元數(shù)值模擬正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)錐頭-錐孔密封副結(jié)構(gòu)分別建立了滿足密封條件的軸向預(yù)緊力和最大等效應(yīng)力為響應(yīng)的關(guān)于各主要設(shè)計(jì)參數(shù)的二階響應(yīng)面模型，并利用遺傳算法和多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行了優(yōu)化求解，得到了密封結(jié)構(gòu)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。

由上述研究現(xiàn)狀可以看出目前關(guān)于安裝扭矩與裝配誤差對(duì)管路服役性能的影響規(guī)律已較為清晰，但對(duì)整體管路系統(tǒng)的數(shù)字化自動(dòng)定位裝配與精度檢測(cè)的研究尚處于初步探索階段，通過VR/AR技術(shù)對(duì)管路構(gòu)件的裝配過程進(jìn)行指導(dǎo)與精度檢測(cè)，是克服傳統(tǒng)人工手動(dòng)裝配的缺陷，提升管路構(gòu)件裝配效率與精度的關(guān)鍵。

3 管連接構(gòu)件服役性能研究進(jìn)展

3.1 連接強(qiáng)度

連接強(qiáng)度是評(píng)價(jià)各種接頭連接質(zhì)量最基本的性能之一，一般采用拉脫試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。Weddeling等將連接的失效準(zhǔn)則定義為管與芯棒之間第一次相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所施加的拉伸載荷，可以通過載荷-拉伸曲線斜率的變化表示，如圖22(a)所示，當(dāng)曲線斜率發(fā)生變化時(shí)即表明連接失效，將電磁成形連接的拉伸失效模式分為拉脫與被接管撕裂兩種模式如圖22(b)所示。Yu等采用ABAQUS/standard對(duì)不同結(jié)構(gòu)的塑性失穩(wěn)連接進(jìn)行了拉脫模擬，結(jié)果如圖23所示，表明不同的塑性失穩(wěn)連接結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度有顯著影響。Gies等針對(duì)液壓連接，采用拉脫試驗(yàn)的方法研究了不同凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律。劉欣針對(duì)記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接，采用數(shù)值模擬的方法，研究了記憶合金管接頭的結(jié)構(gòu)對(duì)拉脫力的影響規(guī)律，并通過拉脫試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

由上述分析可見由于測(cè)量方便，連接強(qiáng)度一般被作為優(yōu)化連接工藝與結(jié)構(gòu)以及校核數(shù)值仿真模型的指標(biāo)。影響連接強(qiáng)度的因素包括接頭與被接管之間的力干涉、形干涉(管壁嵌入凹槽的高度或內(nèi)脊嵌入管壁的深度)以及接觸表面的面積與摩擦系數(shù)。提升接頭與被接管之間力干涉與形干涉的程度，增加接觸表面的面積與摩擦系數(shù)能有效提升連接強(qiáng)度。

圖22 典型拉脫載荷-位移曲線與失效樣件[11]Fig.22 Typical load-displacement curves and failure samples of electromagnetic forming connection tubes[11]

圖23 局部塑性失穩(wěn)連接有限元模擬拉脫過程 載荷-位移曲線[58]Fig.23 Simulated force-displacement curves of joints subjected to uniaxial tension[58]

3.2 密封性能

對(duì)于各種用于介質(zhì)傳輸?shù)墓苈废到y(tǒng)而言，密封性能是其最為關(guān)鍵的性能之一。目前，航空管路系統(tǒng)中90%的“跑、冒、滴、漏”問題都與管接頭的密封特性相關(guān)?；谒苄宰冃喂苈愤B接技術(shù)中所涉及到的密封屬于靜密封中的接觸型密封，不需要其他密封墊或者密封圈，而是通過金屬與金屬之間的過盈配合形成可靠密封。在密封面完全光滑的理想條件下，當(dāng)密封面上的接觸壓力大于內(nèi)部流體壓力時(shí)，管路接頭密封可靠。但在實(shí)際中，由于加工和運(yùn)輸?shù)木壒?，密封面不可避免地?huì)出現(xiàn)一定的缺陷，這就使得密封面接觸配合后仍存在微小的泄漏間隙。根據(jù)流體力學(xué)，管路內(nèi)部流體通過泄漏間隙時(shí)產(chǎn)生的局部阻力取決于間隙的橫截面積和泄漏路徑的長度，可表示為

Δ∝

(1)

式中：為間隙的橫截面積；為泄漏路徑的最小長度。當(dāng)接觸面上的接觸壓力越大時(shí)，泄漏間隙的橫截面積就越小。若接觸壓力與泄漏間隙的橫截面積成正比例關(guān)系，則

Δ∝

(2)

式中：為密封面接觸壓力。所以，當(dāng)氣體或液體通過間隙時(shí)，產(chǎn)生的阻力為

(3)

由密封泄漏的原理可知，在設(shè)計(jì)管路接頭時(shí)，為了使金屬和金屬密封結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，應(yīng)保證密封面接觸壓力盡可能大，以減小泄漏路徑的面積，并提高密封面接觸面積，以增加泄漏路徑的長度，接觸壓力與接觸面積也可以作為衡量密封性能好壞的指標(biāo)。

劉言等將工程機(jī)械液壓系統(tǒng)管接頭常用密封形式分為平面密封和錐面密封2類，其中平面密封分為E型柱端式密封、A型柱端式密封、鉸接螺栓式密封和法蘭式密封；錐面密封分為擴(kuò)口式密封、30°錐式密封、24°錐式密封(即復(fù)合密封)和卡套式密封。此外還有24°錐面-球頭密封以及最近發(fā)展起來的梁式密封等。在航空領(lǐng)域應(yīng)用最多的密封形式為錐面密封與錐面-球頭密封，由于航空領(lǐng)域?qū)τ诿芊庑阅艿囊笞顬榭量蹋槍?duì)這兩種密封形式的研究較為廣泛。閔冬翌、李曉東、李玉婷和張志廣均采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了管接頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝配參數(shù)以及密封面表面質(zhì)量對(duì)管接頭密封性能的影響規(guī)律；閆洋洋基于管接頭多尺度模型研究了管接頭裝配方法以及高壓脈動(dòng)對(duì)接頭密封特性影響規(guī)律；何勃提出了一種新的敏感性分析方法，對(duì)管路接頭密封性影響因素進(jìn)行了重要度排序，并進(jìn)行了管路接頭密封失效概率計(jì)算研究。可見管接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境因素與裝配誤差均會(huì)顯著影響管路構(gòu)件連接密封性能，采用數(shù)值模擬的方法，能對(duì)密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)進(jìn)行定量分析，基于虛擬實(shí)驗(yàn)，采用穩(wěn)健性優(yōu)化方法能有效提升管連接件密封性能。

為了提升管接頭的耐力沖擊與溫度沖擊的性能，人們提出了梁式密封管接頭，其標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范于20世紀(jì)90年代所提出，能滿足56 MPa高壓管路構(gòu)件的密封需求。梁式密封管接頭的密封結(jié)構(gòu)主要包括陰接頭、陽接頭以及螺母，如圖24所示。其主要工作原理在于通過擰緊螺母使得陰接頭與陽接頭發(fā)生接觸，并在陰接頭的外邊緣與內(nèi)邊緣分別形成兩次密封，由于陰接頭肩部類似于彈性懸臂梁，故這種密封形式具有自緊的特性，且能有效提升抗沖擊與抗振動(dòng)的能力。陳芝來采用有限元分析的方法研究了擰緊力矩對(duì)于梁氏密封的密封范圍的影響，研究結(jié)果表明二次密封大幅提升了管連接件的密封性能和誤差補(bǔ)償能力，且梁式管路構(gòu)件密封結(jié)構(gòu)的力矩范圍非常精確，便于裝配時(shí)進(jìn)行控制。Jeon和Kim通過改變梁式密封管接頭的密封傾斜角和密封厚度，進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，研究了幾何形狀的變化對(duì)密封性能的影響，并給出密封傾斜角和密封厚度的合理設(shè)計(jì)。目前，由于梁式密封技術(shù)仍處于探索階段，中國尚無梁式密封技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖24 梁式密封結(jié)構(gòu)示意圖[82]Fig.24 Beam sealing joints[82]

3.3 抗疲勞性能

管路構(gòu)件在服役過程中可能會(huì)經(jīng)歷高低溫的變化與沖擊，或在腐蝕介質(zhì)中工作，且難以避免會(huì)承受循環(huán)變化的載荷，這些不同的環(huán)境因素可使管路構(gòu)件產(chǎn)生不同的疲勞破壞。最常見的疲勞有接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞以及微動(dòng)磨損疲勞和聲疲勞等。以航空液壓管路為例，其在服役過程中會(huì)在外界或內(nèi)部周期性(或隨機(jī)性)機(jī)械載荷下產(chǎn)生受迫震動(dòng)，還會(huì)由于流體和管壁的耦合作用產(chǎn)生自激震動(dòng)，同時(shí)也會(huì)經(jīng)歷高低溫沖擊以及腐蝕介質(zhì)的影響，服役條件十分苛刻。疲勞損傷是導(dǎo)致當(dāng)今工程結(jié)構(gòu)失效的最常見原因之一，因此在管路構(gòu)件連接技術(shù)的發(fā)展過程中疲勞分析是重要的課題之一。由管路構(gòu)件塑性連接的成形原理可以看出，管路構(gòu)件塑性連接件屬于干涉裝配組件，當(dāng)其承受疲勞載荷時(shí)，管套與被接管之間的接觸區(qū)域在復(fù)雜的多軸應(yīng)力作用下可能會(huì)出現(xiàn)部分滑移或分離，所產(chǎn)生的微動(dòng)損傷(Fretting Damage)會(huì)顯著影響連接組件的疲勞壽命。Vingsbo和Soderberg認(rèn)為微動(dòng)損傷是微動(dòng)疲勞(Fretting-fatigue)與微動(dòng)磨損(Fretting-wear)2種現(xiàn)象之間的競爭，如圖25所示，可以看出只有當(dāng)滑移振幅小于某一臨界值時(shí)才能同時(shí)獲得最長的疲勞壽命與最小的磨損量。影響微動(dòng)損傷的因素主要包括接觸強(qiáng)度、滑移振幅與摩擦系數(shù)。然而目前針對(duì)干涉裝配組件疲勞性能的研究多集中于對(duì)軸類配合零件(軸與輪轂/齒輪)的研究，管路連接構(gòu)件由于管子的空心結(jié)構(gòu)且同時(shí)伴隨著工作內(nèi)壓的影響，并不能完全等同于軸類配合零件，目前尚缺乏針對(duì)管路連接組件疲勞損傷機(jī)制研究。

關(guān)于材料的疲勞強(qiáng)度的研究方法可以追溯到19世紀(jì)初，1847年，德國人沃勒用旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)首先對(duì)疲勞現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了-疲勞壽命曲線以及疲勞極限的概念，奠定了疲勞破壞的經(jīng)典強(qiáng)度理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的“安全壽命設(shè)計(jì)”以裂紋萌生作為壽命的終結(jié)，未統(tǒng)計(jì)裂紋擴(kuò)展壽命；斷裂力學(xué)的進(jìn)展豐富了傳統(tǒng)疲勞理論的內(nèi)容，促進(jìn)了疲勞理論的發(fā)展。-試驗(yàn)方法被研究人員廣泛應(yīng)用于-試驗(yàn)和疲勞壽命預(yù)測(cè)。管路構(gòu)件的抗疲勞性能一般通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于航空液壓管路，其測(cè)試規(guī)范需滿足HB 6442-90標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試裝置如圖26所示。陳蓄和柳進(jìn)針對(duì)彎曲疲勞測(cè)試的懸臂梁試驗(yàn)件長度、簡支梁試驗(yàn)件長度、靜應(yīng)變測(cè)量和靜應(yīng)力換算以及應(yīng)變片大小和位置的影響進(jìn)行了理論分析，為彎曲疲勞測(cè)試方法提供了理論依據(jù)。舒送基于航空有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在參考國內(nèi)外其他種類旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套包含同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸機(jī)構(gòu)、撓度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、尾座管端固定機(jī)構(gòu)及計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備能同時(shí)對(duì)帶內(nèi)壓的六根航空無擴(kuò)口連接導(dǎo)管組件進(jìn)行不同撓度值的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),相比同類試驗(yàn)機(jī)大大增大了試驗(yàn)效率，為國內(nèi)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起到了引領(lǐng)作用。程小勇對(duì)飛機(jī)導(dǎo)管材料進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，繪制出了-曲線，得到了材料的疲勞極限，并對(duì)導(dǎo)管的裝配應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算出了裝配應(yīng)力引起的導(dǎo)管模態(tài)頻率的變化，研究結(jié)果表明裝配應(yīng)力會(huì)影響管路的抗疲勞性能。

圖25 滑移振幅對(duì)磨損率與疲勞壽命影響規(guī)律[92]Fig.25 Effect of slip amplitude on fretting fatigue life and wear rate[92]

圖26 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖[101]Fig.26 Schematic diagram of fatigue test structure of rotating bending[101]

對(duì)于管路疲勞壽命預(yù)測(cè)方面，F(xiàn)E-SAFE、MSC.FATIGUE、NSOFT等疲勞分析軟件已經(jīng)成為疲勞問題預(yù)測(cè)與控制的重要手段。劉明星等應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS建立了軸的有限元模型，得到了軸在載荷作用下的應(yīng)力分布，隨后使用疲勞分析軟件FE-SAFE讀取應(yīng)力結(jié)果，分析得到了其整體壽命分布云圖及危險(xiǎn)區(qū)域分布狀態(tài)。張淼等以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，引入損傷驅(qū)動(dòng)力構(gòu)建分式形式的損傷演化方程，利用級(jí)數(shù)解法對(duì)擴(kuò)口管路構(gòu)件連接件進(jìn)行了壽命預(yù)估，提供了一種用損傷力學(xué)方法來描述構(gòu)件疲勞壽命的可行方法。在上述基礎(chǔ)上，張淼等又利用APDL語言編程對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行了開發(fā)，利用有限元模擬的方法預(yù)估了TC6鈦合金標(biāo)準(zhǔn)件疲勞裂紋萌生壽命，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。徐明波等結(jié)合ABAQUS和FE-SAFE軟件對(duì)不同數(shù)值計(jì)算方法的適用性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較，提出了噴丸強(qiáng)化40CrNi2Si2MoVA鋼的抗疲勞壽命預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式。上述研究多是針對(duì)單一零件疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究，尚缺乏針對(duì)管路連接構(gòu)件這種多零件組合且需考慮工作內(nèi)壓影響的特殊組件疲勞壽命精確預(yù)測(cè)的研究。

4 面臨的挑戰(zhàn)

隨著航空、航天、汽車及能源等領(lǐng)域高端裝備的不斷發(fā)展，迫切要求管路構(gòu)件成形制造朝著高性能、輕量化、高可靠、高效率以及綠色化的方向發(fā)展。而管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)正是一種精確、高效、高可靠以及環(huán)境友好的連接方式，發(fā)展先進(jìn)的管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高端裝備升級(jí)換代的必須。

由于航空領(lǐng)域的管路構(gòu)件其服役環(huán)境十分苛刻，且對(duì)于連接強(qiáng)度、密封性、抗疲勞性等性能指標(biāo)均有嚴(yán)格要求，故航空管路構(gòu)件的成形制造技術(shù)代表了管路構(gòu)件成形領(lǐng)域的最高水平。隨著先進(jìn)飛行器對(duì)耐高壓輕量化高可靠性要求的不斷提升，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的鈦合金管替代鋼管成為必須，然而鈦合金作為一種難變形材料，其高可靠性連接變得更加困難，因此亟待發(fā)展先進(jìn)的航空管路構(gòu)件連接技術(shù)。然而，目前針對(duì)航空領(lǐng)域管路構(gòu)件連接需求發(fā)展起來的記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接、軸向擠壓式連接、內(nèi)徑滾壓式連接等先進(jìn)連接技術(shù)尚不成熟。尚需解決的問題主要包括：

1) 管路構(gòu)件塑性變形連接材料-結(jié)構(gòu)-工藝-服役性能一體化設(shè)計(jì)制造

充分獲得各不同連接組件材料性能、結(jié)構(gòu)與成形工藝對(duì)于連接強(qiáng)度、密封性與抗疲勞性等服役性能指標(biāo)影響規(guī)律與機(jī)制，以此為前提對(duì)管連接組件材料微觀組織、結(jié)構(gòu)與成形工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成系統(tǒng)的工藝規(guī)范，完成管路構(gòu)件塑性變形連接材料-結(jié)構(gòu)-工藝-服役性能一體化設(shè)計(jì)制造是實(shí)現(xiàn)耐高壓超常服役條件下高可靠性連接所面臨的重要挑戰(zhàn)。

2) 管路構(gòu)件連接裝配精度控制

管路構(gòu)件在進(jìn)行連接裝配組成管路系統(tǒng)的過程中所產(chǎn)生的裝配誤差對(duì)于整個(gè)管路系統(tǒng)的服役穩(wěn)定性與壽命有重要影響。如何將VR/AR等先進(jìn)技術(shù)有效應(yīng)用于管路構(gòu)件的裝配工藝，是提升管路構(gòu)件裝配精度與效率所面臨的重要挑戰(zhàn)。

3) 管路構(gòu)件連接工藝與服役過程數(shù)值仿真技術(shù)

采用精確高效的數(shù)值模擬仿真技術(shù)對(duì)連接工藝過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析優(yōu)化以及對(duì)服役過程進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，需要準(zhǔn)確把握管路構(gòu)件連接的塑性變形與服役失效過程的規(guī)律與機(jī)理，因此提高管路構(gòu)件連接工藝與服役過程的數(shù)值仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)生產(chǎn)制造過程數(shù)字化與智能化所面臨的挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 論

根據(jù)管路構(gòu)件塑性變形連接工藝過程施加載荷方式將管路塑性連接工藝分為電磁成形連接、液壓脹形連接與機(jī)械成形連接，在此基礎(chǔ)上綜述了各塑性連接工藝的研究進(jìn)展，對(duì)比了各連接工藝的成形特點(diǎn)與連接性能，進(jìn)一步綜述了管接頭裝配連接工藝與服役性能的研究進(jìn)展，探討了管路構(gòu)件塑性連接的發(fā)展方向與面臨的挑戰(zhàn)。主要結(jié)論如下：

1) 基于塑性變形的先進(jìn)管路構(gòu)件連接技術(shù)具有精確、高效、高可靠以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于航空、航天、汽車、能源等領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展具有重要意義。

2) 滿足航空領(lǐng)域應(yīng)用需求的耐高壓超常服役條件的管路構(gòu)件塑性連接成形技術(shù)包括記憶合金收縮式無擴(kuò)口連接、內(nèi)徑滾壓式連接和軸向擠壓式連接等目前發(fā)展尚不成熟，還需進(jìn)一步研究。

3) 基于VR/AR技術(shù)的管路系統(tǒng)數(shù)字化自動(dòng)定位裝配與精度檢測(cè)可有效提升管路構(gòu)件裝配效率與精度，但相關(guān)研究目前尚處于起步階段，還需進(jìn)一步研究。

4) 目前在管路構(gòu)件連接服役性能研究方面主要存在以下問題：關(guān)于耐高壓高可靠的先進(jìn)管接頭密封技術(shù)如梁式密封技術(shù)的研究尚不成熟；尚缺乏針對(duì)管路連接組件疲勞損傷機(jī)制與疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究。

5) 實(shí)現(xiàn)管路構(gòu)件塑性變形連接材料-結(jié)構(gòu)-工藝-服役一體化設(shè)計(jì)制造與整體管路構(gòu)件裝配過程的精確控制是管路構(gòu)件塑性變形連接技術(shù)的發(fā)展方向與面臨的重要挑戰(zhàn)。