内高压成形技术具有减轻零件质量、减少零件数量、降低模具费用、减少工序、提高结构整体性和刚度等优点，已经在汽车领域、航空航天领域得到了广泛的应用^{[1, 2]}。内高压成形使用的材料主要为无缝管材和焊接管材。焊接管材由于生产成本低、生产效率高、壁厚均匀和成形性能好等优势，在内高压成形中的应用愈来愈多^[3]。由于焊缝和热影响区的存在使得焊接管材内高压变形规律和成形性能有别于无缝管材内高压成形的情况，而自由胀形时其破裂行为也与无缝管材有较大区别。

国内外学者对焊缝管的材料特性进行了一些研究，主要利用纯拉伸实验法、基于拉伸实验的混合准则法以及基于显微硬度测试的经验公式法等方法来确定焊缝和热影区材料特性^[4-7]。通过研究发现，由于焊缝的存在，所有焊接试样的屈服强度、抗拉强度、显微硬度、强度系数以及应变硬化指数都高于母材，但其伸长率却低于母材^[8-10]。

焊缝区与母材区不同的材料性能使得焊管的内高压成形变形行为与无缝管材有着显著的不同。对于无缝管材在内高压成形过程中的自由胀形规律、圆角充填规律以及实际结构件成形过程中的一些变形规律都进行了大量的研究。而对于焊缝管材，却缺乏深入细致的研究。由于焊缝和热影响区的存在，焊接管材在液压胀形过程中表现出与无缝管材不同的变形行为，如轮廓形状、壁厚分布和成形极限。文献[11]在分析液压成形STK400和STM12A两种焊缝管的破裂原因时，发现试件环向壁厚分布不均匀，其中焊缝的影响是重要因素之一。对STK400管材采用自适应模拟加载路径时，破裂位置离焊缝中心10°左右，采用自进给加载路径时并未发生破裂。对STM12A管材，无论采用自适应模拟加载路径还是自进给加载路径，失效位置均位于离焊缝中心180°左右。此外，将有限元模拟和Oyane韧性断裂准则结合起来，成功地预测了高频电阻焊管的成形极限和破裂压力，其破裂失效位于热影响区，且预测的破裂失效压力小于不考虑焊缝及热影响区和仅考虑焊缝的两种有限元模型模拟获得的值^[12]。除了利用实验研究焊接管材的液压胀形行为^[13]，利用理论模型也可以预测焊接管材的变形行为，文献[14]建立了一种理论模型用来预测焊接管材内高压成形的成形极限图，利用这种模型并结合Hosford屈服准则计算得到了QSTE340焊接钢管的FLD，预测结果与实验结果非常吻合。然而，在对低碳钢焊缝管进行T形胀形实验时发现，焊缝质量好时，焊缝线的方位不会影响管材的成形性能^[15]。

为了深入研究焊接管材的自由胀形行为，利用低碳钢STKM11A焊管进行自由液压胀形实验，研究不同长径比条件下焊接钢管的破裂压力、壁厚分布、胀形区轮廓以及应变分布等变形规律，为焊接管材内高压成形在汽车领域以及航空航天领域的广泛应用奠定基础。

1 实验材料与方法 1.1 材料

所用管材为高频电阻焊(ERW)管，其外径为78.3mm，名义壁厚为2.6mm，材料为低碳钢STKM11A。沿管材轴向在母材区域与焊缝区域分别切取弧形试样，然后在电子万能材料试验机上进行单向拉伸实验，得到的真实应力应变曲线如图 1所示。表 1中给出了母材区和焊缝区具体的轴向力学性能参数。

1.2 实验装置与方案

利用哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心研制的THF-160/50管材胀形性能测试系统进行焊接钢管液压胀形实验，如图 2(a)所示。图 2(b)为管材液压胀形的原理示意图，管材两端采用锥形冲头，同时起到密封内压与固定管材端部运动的作用，使胀形区无轴向补料。

实验时采用的模具圆角半径为5mm，分别对不同胀形区长径比(L₀/D₀)的管材进行胀形实验，实验过程中采用的胀形区长径比分别为1.2，1.4，1.6，1.8，2.0和3.0。实验过程中对管材内部的液压以及胀形区最高点处的胀形高度进行实时测量。待实验完成后，测量管材的环向壁厚分布、轴向轮廓形状、应变分布等。

2 结果与分析

图 3为不同长径比条件下进行液压胀形得到的STKM11A焊接钢管。由图 3可以发现，破裂位置全部位于靠近焊缝的母材区域，裂缝均沿轴向，个别管材还在焊缝的另一侧发生了颈缩现象，属于强组配焊接管材。这说明管材是在环向拉应力作用下发生的破裂，并且随着胀形区长径比的增大，裂缝长度及开口程度有所增大，这说明随着胀形区腔内体积的增大，内部液体对胀形区发生破裂的瞬时冲击力也有所增大。

实验过程中实时记录管材的内压以及胀形区最高点的胀形高度，得出不同长径比条件下焊接钢管的结果，如表 2所示。由表 2可以发现，随着胀形区长径比的增大，管材胀形的破裂压力逐渐降低，胀形高度逐渐降低，当胀形区长径比达到2.0以上时，胀形高度值趋于稳定。

2.1 壁厚分布

图 4是不同长径比条件下胀形区最高点处截面的环向壁厚分布。由图可以发现，焊缝处在胀形过程中基本没有发生减薄，减薄率仅为2.4%~5.5%，只是随着母材区域的膨胀而发生几何位置的移动。环向壁厚的最薄点位于焊缝的两侧，这是由于在胀形的过程中，焊缝处变形量很小，对于母材区域相当于是一个刚性的约束，在母材与焊缝的过渡区域的变形不协调容易导致在这个区域发生局部减薄，所以环向壁厚的最薄点位于以焊缝为中心的对称两侧±30°位置处。

此外，从图 4还可以看出，随着胀形区长度的增加，母材区和焊缝区的管材的减薄量呈逐渐减小的趋势。这是由于随着管材胀形区长度的增加，管材越接近于无限长管材的胀形，也就越接近于平面应变状态。在之前的关于板料成形极限的研究中，成形极限曲线FLC在平面应变状态时处于最低点，成形极限最低，由此可以说明胀形区长径比的增加会使管材的成形极限降低，其壁厚减薄的程度也会减轻。

图 5所示为长径比1.6时管材胀形破裂后三个典型横截面的位置及壁厚分布，其中A-A横截面为胀形区最高点处的横截面，A-A与B-B、B-B与C-C截面间距离都约为22.5mm。设焊缝为0°，截面内沿环向每30°测量壁厚，获得三个不同横截面处的壁厚分布如图 5(b)所示。由图可以发现，管材胀形区最高点处的壁厚减薄最为严重，越接近两端，减薄量越小。对于焊缝，同样是胀形区最高点处的截面A-A处的减薄量最大。

2.2 轮廓形状及极限膨胀率

将管材沿与裂纹垂直的轴向面剖开，以管材中心为坐标原点，管材轴线为z轴方向，管材径向为r轴方向，测量管材沿轴向的半径分布，如图 6所示。在之前的研究中，为了利用液压胀形法直接测试管材的应力应变曲线，需要将管材胀形区轮廓形状假设为某一函数形状，如梯形、圆形、椭圆形、双曲线型等。文献[16, 17]发现在自由胀形过程中管材的轴向轮廓形状可以非常精确地用椭圆函数进行描述。本工作将各长径比条件下焊接管材的轴向轮廓形状利用椭圆函数进行拟合，如图 6所示，由图可以看出，当胀形区长径比较小时，可以用椭圆函数非常精确地拟合焊接管材胀形区的轴向轮廓形状。随着胀形区长径比的增加，其轮廓形状发生了一定的变化，当管材长径比达到2.0以上时，利用椭圆函数拟合胀形区轴向轮廓形状时其误差已经非常大，最高点处的拟合高度低于实验值，随着向胀形区两端过渡，拟合值先是变为高于实验值，然后在胀形区两端的拟合值又重新变为低于实验值。

由上述研究可以得出，对于STKM11A焊接钢管，随着胀形区长度的增加，胀形区轮廓的形状会发生一定的转变，长径比较大时，椭圆函数已不再适合用于描述轮廓形状。换言之，如果希望通过利用椭圆函数测量STKM11A焊接钢管的应力应变曲线，选取的长径比一定不能太高，具体的数值需要以后进一步的工作进行研究。

此外，随着胀形区长径比的增加，胀形区最高点处的半径逐渐降低，从31.93%逐渐降低到27.72%。由此可知，STKM11A焊接钢管的极限膨胀率发生了降低，其变化规律如图 7所示。

2.3 应变分析

首先选取长径比1.6的STKM11A焊接钢管进行不同截面A-A，B-B和C-C上的应变分布测量，截面位置如图 5(a)所示。主要采用网格应变测试的方法进行研究，事先在管材上印制尺寸为2mm×2mm的网格，图像采集设备为尼康D200单反相机，标定块尺寸为15mm，网格分析采用ASAME应变分析软件。通过对比胀形前后网格发生的变形获得管材表面的应变分布数值。测量得到的不同截面上的等效应变分布如图 8所示。

由图 8可以看出，A-A截面和B-B截面沿环向的等效应变分布规律基本一致，焊缝区两侧的母材区均出现了应变集中；焊缝区由于自身强度较高，等效应变数值较低，各截面焊缝区均在0.05~0.10之间。C-C截面母材区等效应变数值分布平稳，基本维持在20%，这是由于C-C截面整体的应变较低，还未发生局部颈缩现象。位于更靠近胀形最高点一侧的B-B截面上，母材区等效应变数值出现了较为明显的波动，±30°处均出现了峰值，随着角度的增大，应变数值的波动逐渐趋于平稳；在胀形最高点所在截面，即A-A截面，在±30°处也相应出现了峰值，母材区应变数值的分布情况与B-B截面基本一致。分析认为焊缝自身与母材存在强度差异，具有抵抗进一步发生变形的能力，将变形转移到邻近部分，进而导致距离焊缝最近的±30°处发生明显的应变集中，由于此处发生的变形最为剧烈，因此最终胀破的裂缝基本位于此区域。

采用ASAME应变测试软件对不同胀形区长径比管材胀破后最高点处裂口附近区域的网格进行应变分析，并结合单向拉伸极限应变数值，可初步得到STKM11A焊管成形极限图FLD，如图 9所示。此成形极限图既可以作为一种判据判断焊接管材内高压成形具体零件过程中颈缩失稳的发生，也可以用来验证针对焊接管材提出的成形极限理论模型的预测精度。

3 结论

(1)不同长径比条件下胀形区最高点处焊缝的减薄率仅为2.4%~5.5%，表明管材焊缝区域在胀形过程中的减薄量非常小，只是随着母材区域的膨胀而发生几何位置的移动；环向壁厚的最薄点位于以焊缝为中心的对称两侧±30°位置处，随着胀形区长度的增加，母材区和焊缝区的管材的减薄量呈逐渐减小的趋势。

(2)随着胀形区长径比的增加，焊接管材胀形区轮廓形状发生变化，胀形区长径比较小时，可以准确地由椭圆函数进行描述，当长径比达到2.0以后，不再符合椭圆模型。

(3)分析了管材不同横截面处的等效应变分布，焊缝区等效应变数值较低，均在0.05~0.10之间，而焊缝区两侧的母材区均出现了应变集中，各截面沿环向的等效应变分布规律基本一致。

(4)随着胀形区长径比从1.2增加到3.0，管材的极限膨胀率从31.93%逐渐降低到了27.72%。此外，根据不同胀形区长径比的应变结果，初步建立了STKM11A焊接钢管的成形极限图。