金属波纹管

金属波纹管（Metal Bellows）是一种挠性、薄壁，有横向波纹的管壳零件。它既有弹性特征，又有密封特性，在外力及力矩的作用下能产生轴向、侧向、角向及其组合位移，密封性能好，同时还有吸振、降噪、热补偿及隔离介质的作用。金属波纹管按具体的应用场景可以分为：高精度波纹管、高压缩性能波纹管、恒弹性波纹管、耐高压波纹管等。金属波纹管的波纹结构类型有：U型、C型、Ω型、S型等。

最早的人们为了满足生产需求，用兽皮缝制管状结构。到17世纪末，荷兰的万德尔盖金兄弟发明了纵向缝合的帆布软管，并广泛应用于消防领域中。随着橡胶和硫化技术的发展，出现了胶管，但因胶管在高温和腐蚀性介质中应用受限，推动了对金属管的研究，最终产生了具备波纹结构的金属波纹管。1855年，德国首次申请波纹管制造专利。1885年，法国E.Levavasseur和德国H.Witzenmann合作获得螺旋波纹管专利。1894年，人们改进了波纹管的结构，使其在压力下保持稳定。1929年，人们解决了密封性失效问题，发展了整体波纹管。20世纪50年代后，双层、多层及极薄壁不锈钢波纹管迅速发展。

金属波纹管广泛应用于仪表、机械、电力、石油化工、航空航天等领域，主要功能包括：作为流体系统的补偿元件，用于温度、体积和轴向的调节；作为密封元件，用于实现高要求的无填料密封；作为结构元件，因其可变性与伸缩性，在多种工业设备中提供柔性连接；此外，还可作为贮能元件，用于一些特殊场合的能量存储与释放。

历史沿革

起源

最初，为了满足生产生活的需求，人们利用兽皮缝合成管状结构。到17世纪末，荷兰的万德尔盖金兄弟发明了纵向缝合的帆布软管，这种软管在当时的消防业务中得到了广泛应用。随着橡胶和硫化工艺的发展，胶管及其铠装版本逐渐出现。然而，在高温介质（如蒸汽、热风）和低温介质（如液氢、液氧）以及汽油、酸碱等腐蚀性介质的输送中，胶管的应用受到限制，尤其在高温条件下的可靠性较差。因此，金属管成为了人们关注的对象，通过改变其几何形状，设计出了内外表面带有波纹的金属波纹管。这样一来，金属波纹管既具备了类似胶管的柔韧性，又具备了耐高温、耐低温、耐腐蚀等优良特性。

技术突破

1855年，德国首次申请了制造波纹管的专利，基于制造首饰的工艺原理制造波纹管。三十年后，法国的E.Levavasseur与德国的H.Witzenmann合作开发了一种新型的螺旋波纹管，并于1885年获得了法国和德国的专利。这种波纹管由截面为S型的金属带绕制而成，并在相邻咬口处填充橡胶带、棉织物或石棉绳以提高密封性。1894年，这类波纹管进一步改进，人们通过将两根金属带按不同直径向相反方向卷绕，从而克服了波纹管自发展开的缺点。

1929年，波纹管技术迎来了又一次革新，解决了因弯曲导致的密封性失效问题，使得波纹管的发展空间更加广阔。此时，人们使用钢和铜锌合金材料制造出整体波纹管，即无缝或有焊缝的波纹管，依靠波纹侧壁的弹性变形来保证一定的可压缩性或可拉伸性和可靠的密封性。从20世纪50年代起，双层、三层及多层的波纹管，尤其是极薄壁不锈钢波纹管得到了快速发展。人们采用焊接、电铸、液压等多种工艺方法，制造出直径从2毫米到10米不等的波纹管，并配备不同的外部保护材料和接头形式，以适应多种复杂的使用环境和需求。

主要分类

随着科学技术的进步，金属波纹管在众多特殊应用领域中面临着不断提高的性能要求。为了满足这些新需求，人们开发了许多新型金属波纹管产品，主要有高精度、高压缩性、恒弹性、耐高压、耐高温、耐腐蚀、小型化等产品。不同类型的金属波纹管能够满足各种特定环境中的应用需求，以下从具体应用场景的角度进行分类介绍。

高精度波纹管

高精度波纹管通常采用焊接结构，适用于位移平衡式仪表或其他对元件特性要求较高的应用场合。美国生产的这类波纹管非线性可小于0.4%，滞后和弹性系数等性能优于传统的液压成形波纹管。日本采用NKO材料制成的焊接波纹管，非线性为0.5%，滞后小于0.3%。

高压缩性能波纹管

通常波纹管的压缩量为自由长度的50%，但在使用时压缩比通常取10%以内以延长使用寿命。然而在某些特殊场合中，需要更高压缩性的波纹管。1966年，美国发明了一种新的阶梯状波纹波纹管（美国专利№3030982），其压缩量可达自由长度的65%至75%，且刚度小、灵敏度高。这种波纹管已经在航空领域中得到了应用。

恒弹性波纹管

恒弹性波纹管的性能受环境温度变化的影响较小，通常采用如Ni42CrTiAl的恒弹性材料。美国采用了一种镍基C902合金，其成分包括Ni42、Cr5.5、Ti2.5、Mn0.4、C0.06、Si0.5、Al0.4等，用于制造恒弹性波纹管，适合在温度波动环境中使用。

耐高压波纹管

耐高压波纹管多采用多层结构，或通过改进波纹形状设计出S形和G形波纹的产品。多层波纹管采用不锈钢材料，层数一般为2至4层，部分特殊应用则超过4层。此类波纹管常用于高压阀门中作高压密封，耐压范围从几公斤到40公斤/厘米²，如民德VEB Noremat Noosen厂生产的三层波纹管。美国发明了一种叠层式焊接波纹管（美国专利№3090403），耐压力可达140-700公斤/厘米²。此外，有些波纹管通过不锈钢丝网套结构进一步提高耐压能力。

耐高温波纹管

耐高温波纹管的适用温度范围通常在1000°C以下。日本利用Inconel合金制成的测量波纹管，能够在600°C的高温环境中正常工作。美国Marman公司生产的波纹管式热补偿器适用于870°C的环境。西德Pforzheim金属软管厂生产的一种耐热钢补偿器则可用于1000°C的高温环境。

耐腐蚀波纹管

随着化学工业的发展，耐腐蚀波纹管的需求日益增加。美国和西德在这方面取得了较大进展，广泛使用AISI304和316型不锈钢，这些材料对于硫化物和氯化物具有良好的抗腐蚀能力。西德Pforzheim金属软管厂在腐蚀性环境中推荐使用银、Hastelloy B.C、钛等材料，日本也推荐使用Hastelloy B.C材料。

小型波纹管

波纹管的小型化使其能够用于电子工业、仪器仪表和航空工业。英国Plessey宇航公司通过电成型技术制造的小型波纹管，直径为6.4-40毫米，壁厚为0.04毫米。美国Servometer公司生产的小型波纹管内径为1.6-32毫米，壁厚0.008毫米。1972年，美国报道了使用99.85%纯镍材料制造的小型波纹管，外径为0.94毫米，长度为1毫米，壁厚为0.008毫米，施压4克微小压力即可完全压缩，泄漏率低至1×10^-11标准气压cc/秒，适用于高精度电子仪器及航空应用。

制作工艺

金属波纹管的制作是从选用原材料开始，经过管坯制造、波纹管成形、整形、热理、表面处理、质董检验等主要工艺环节。

金属波纹管管坯制造工艺

金属波纹管的管坯分为两种类型：无缝管坯和有缝管坯。无缝管坯的制造工艺根据所选原材料有所不同。材料加工厂可生产壁厚在0.1至0.3毫米之间、外径为Φ10至60毫米的长不锈钢薄壁无缝管，长度可达6米。此类管坯表面光滑，但壁厚公差较大（±0.03毫米），多用于螺旋波纹管和精度要求较低的环形波纹管。对于要求较高的波纹管，则可通过拉深或旋压工艺，生产出壁厚公差小于或等于±0.005毫米的短管坯。有缝管坯是通过将板材或带材卷制后焊接而成，其质量依赖于所用材料和焊接工艺，且在制造过程中更易控制公差。

多次变薄拉深制造工艺

多次变薄拉深工艺适用于制造长度小于300毫米的波纹管管坯。该工艺过程包括落料、多次拉深、多次热处理以及多次变薄拉深等步骤。此工艺能够生产出适合短管坯的高精度波纹管。

钢球旋压变薄拉深制造工艺

钢球旋压变薄拉深是一种在毛坯高速旋转下，通过凸模、凹模和钢球之间的辗压作用，使材料拉深变薄的工艺方法。此工艺中，凸模或凹模高速旋转带动钢球沿毛坯周向高速旋转，毛坯在轴向进给时，材料在正向力和切向力作用下变形。钢球旋压拉深有正旋压拉深和反旋压拉深两种方式。

焊接管坯制造工艺

焊接制造工艺是一种高效、成本低、易于控制壁厚的波纹管管坯生产方法，适应性强。焊接工艺常用于制造膨胀节用的大直径波纹管管坯和软管用管坯。目前，焊接工艺主要包括气体保护直流氩弧焊、微弧等离子焊接以及激光焊接等方法，适用于焊接厚度为0.16至1.0毫米的管坯。常用材料有1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2和GH169等。

成型工艺

这种工艺将软状态的金属薄壁管坯，通过旋转的、具有特定孔型的模具轧制成螺旋波纹管。该方法使用的工装简单，甚至可以直接用车床设备进行操作，因此生产周期较短且生产效率较高。然而，由于模具与工件之间存在摩擦，可能会对产品的强度产生一定影响。

液压成型

液压成型是金属波纹管生产中常用的冷加工方法之一，广泛应用于国内外。该工艺通过高压液体使软状态的金属薄壁筒胀鼓，胀鼓区域由预定模具控制，随后模具进行轴向压缩，从而形成波纹管。液压成型具有生产效率高、成本低的优点，但因模具设计复杂、产品性能的离散性较大，不适合小批量、多品种生产，也无法完全满足仪器仪表高精度的需求。为此，液压连续成型工艺应运而生，其特点是逐个或成组地成型波纹，以简化模具，更适合制造波数较多的波纹管。

焊接工艺

焊接工艺通过将预先成型的圆片在其内外边缘进行连续焊接，制成波纹管。该工艺允许成型圆片压制出多种波纹型面，使得波纹管具备较好的线性性能。由于成型圆片各部分变形均匀、壁厚一致，该工艺制成的波纹管在使用中各种非弹性效应较小，适合需要高精度的波纹管生产。然而，焊接工艺的技术要求较高，成品率低且成本较高，因此一般情况下不推荐在普通应用场合使用。

电沉积工艺

电沉积工艺是一种特殊的沉积方法，先在加工好的铝模上沉积一层纯镍，然后移除铝模，留下与铝模形状一致的波纹管。该工艺特别适合制作超小型或异型波纹管，是对传统波纹管成型工艺的有力补充。但由于铝模的加工难度大、工艺要求高，这种方法不适合大批量生产。

化学沉积法

化学沉积法是在镍磷酸脂溶液中对波纹状芯轴进行镀敷，然后通过溶解去除芯轴表面，制成波纹管。这种方法生产的波纹管并非纯金属，而是由镍磷酸化合物构成。此工艺适用于加工特殊形状的波纹管，成品具有较高的拉伸强度，但延展性较差，在振动环境下容易破裂。美国专利3030982中的波纹管就是采用这种工艺制成的。然而，这种方法在成批生产中局限性较大，已逐渐被电沉积法取代。

热处理工艺

金属加工过程中，由于冷作硬化会导致塑性降低，为了恢复塑性，通常在两道变形工序之间需要进行热处理退火。过去，国外普遍使用箱式炉或井式炉。自六十年代以来，一些生产厂为了提高热处理的质量和自动化程度，推广了新型工艺。例如，日本鹭宫制作所在处理磷青铜波纹管及管坯时，采用了自动连续退火炉，在1965年已有15台这种设备。在不锈钢处理方面，采用了高频真空退火炉，生产效率较高，1至30秒即可完成一次退火过程。此外，光亮退火炉（包括真空式和氢气保护式）也被广泛应用，如日本富士波纹管厂和东京螺旋管制作所。在1965年，富士波纹管厂拥有8台光亮退火炉（其中7台为真空式，1台为气式）。实践表明，这种退火方式比传统方法更具优势，能够直接得到光洁表面，从而提高波纹管的抗腐蚀性能。

检测工艺

根据元件的具体使用对象，检测项目也有所不同。除了使用通用的测压、测位移仪器外，许多工厂还自制了专用检测仪器，如日本富士波纹管厂、鹭宫制作所、东京螺旋管制作所，以及西德的IWK厂等。虽然这些检测仪器的设计较为简单，但非常实用，适合生产车间使用，例如弹性系数、气密性和疲劳测试仪器。在实验室中，使用的仪器更为复杂，用于有效面积和特性测试。日本富士波纹管厂早在1965年就开始使用光机电结合的自动化检测设备，配有打印、显示和记录装置。

产品结构

金属波纹管的结构形式主要有U形、C形、Ω形、S形（波形）、圆弧形、V形（平板形）和阶梯形等。其中，以U形和S形应用最为广泛。通常情况下，U形、C形、Ω形和阶梯形波纹管采用液压成型工艺，而V形和S形波纹管多为焊接成型。当然，根据结构尺寸或制造工艺要求，U形和Ω形波纹管有时也会采用焊接成型工艺。

金属波纹管的性能在很大程度上取决于其结构，不同的结构形式决定了其不同的性能表现。波型是指波纹管沿轴向剖开后的波纹形状。常见的波型有U型、C型、Ω型和S型。为增强波纹管的承压能力和降低刚度，开发了多层波纹管以及带有加强环的波纹管。

总的来说，波纹管的横截面形状对性能有明显影响。圆环形横截面具有较强的承压能力，但其许用位移较小。U型横截面则能够承受较大的位移，但其承压能力相对较低。在国内，U型波纹管是应用最为普遍的一种。在需要承受较高工作压力和较大位移的情况下，多层U型波纹管结构较为适合。C型波纹管具有较大的刚度，但灵敏度较低，且非线性误差较大，通常用作密封隔离元件或挠性联接件。Ω形和S形波纹管则多用于高压、低位移的应用场合，如高压阀门中的密封隔离元件。

波纹管两端的连接结构有五种基本类型：内配合、外配合、封闭底、在波峰处无直壁段切断、在波谷处无直壁段切断。通过这五种端部结构的任意组合，可以为同一波纹管设计出14种不同的端部结构形式，从而满足各种应用需求。

应用领域

金属波纹管在仪表、机械、电力、石油、化工、冶金、热力、船舶、航天、航空等领域均有十分重要的应用。

补偿元件

由于金属波纹管具有容积可变的特性，它广泛用于流体系统中的各种补偿任务，如温度补偿、体积补偿、轴向补偿等。此外，它还可以在气路系统中作为可调节的气容，调节系统的压力和流量，保持系统的稳定运行。

密封元件

在现代国防和工业系统中，许多应用场景要求对液态物质进行绝对密封，传统的填料密封往往无法满足这种高要求。金属波纹管的无填料密封技术解决了这一难题，实现了可靠的密封效果。在微波技术中，金属波纹管在密封器件的内部调节中也发挥了重要作用。

结构元件

金属波纹管因其可变性和伸缩性，在机械工业、宇航、航空以及医疗器械等领域，被用作特殊的结构元件，如软连接、软管道等。这类元件不仅具有重量轻的特点，还具备长寿命的优势，提升了系统的整体性能和可靠性。

贮能元件

金属波纹管还具有弹性贮能的作用，因此可以在一些特殊应用中作为贮能元件。例如，在要求无电感的开关中，金属波纹管可作为无电感弹簧使用，有效地提供能量存储和释放功能。

标准规范

参考资料

金属波纹管.全国标准信息服务平台.2024-10-25