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摘要：为了更好的提高焊接波纹管产品质量，对易于失效的焊接接头的结构与工艺做多元化的分析。在融合国内外标准、资料的基础上，归纳总结了焊接波纹管接头设计的一般性规律，提出了端头露出量h、焊菇宽度W、焊缝熔陷高度K等参数与膜片厚度T的对应关系。
结果表明：正常的情况下，端头露出量h=（3～4）T；焊菇宽度W=（2.5～3）T；焊缝熔陷高度K≈0.65T；膜片内、外径应在焊接波纹管内、外径的基础上减少或增加熔陷余量2K。经过控制端头露出量、焊菇宽度、焊缝熔陷高度等参数，可以轻松又有效地提高焊接波纹管焊缝质量。
焊接波纹管作为感压、密封、隔离、连接、补偿等功能元件，在航空航天、石油化学工业、仪器仪表等行业被大范围的应用于压力与温度测控、机械密封等专业领域。焊接波纹管采用多组环形膜片，将膜片沿内、外边缘依次焊接组合而成。
与液压成形波纹管相比，焊接波纹管具有尺寸精度高、性能一致性好、补偿能力强、寿命长、适用材料范围广等优点。焊接波纹管焊缝密集，产品的主要失效模式为疲劳断裂，焊接接头为故障高发部位。除材料与热处理因素外，焊接接头的疲劳强度与其结构设计与工艺密切关联。
焊接波纹管的国内主要相关行业标准JB/T 9486—1999《连接密封焊接波纹管尺寸系列》、JB/T 8723—2008《焊接金属波纹管机械密封》、JB/T 58551—1999《焊接金属波纹管机械密封产品质量分等》分别由仪器仪表、机械密封行业编制，内容上各有侧重，焊接波纹管接头设计缺乏统一的标准[1-3]。而接头设计往往因种种原因未受足够重视，导致形成产品质量隐患。
文中结合具体案例，在融合国内外标准、文献资料的基础上，分析了焊接波纹管接头设计相关的主要结构参数的影响作用及合理的控制范围。
焊接波纹管的膜片波形可分为对称式波形（图1a）和层叠式波形（图1b）两大类。对称式波形的上、下膜片的形状尺寸完全一致；层叠式波形的上、下膜片的形状则不一致，两者在压并状态下可以互相贴合，如图2所示。
与对称波形相比，层叠波形焊接波纹管能产生更大的有效位移，体积补偿能力强，在外压作用下能承受较大的过载。对称波形焊接波纹管工作时产生的位移较小，位移与承受的压力之间能保持良好的线性关系。
焊接波纹管的内、外缘焊缝接头属于端接接头。在GB/T 324—2008《焊缝符号表示法》标准发布之前，GB/T 324—1988中规定的13种表示焊缝截面形状的基本符号无一与其相符，在标注时易形成混乱。
GB/T 324—2008在1988版的基础上，增加了“端焊缝”等7种焊缝截面形状，使基本符号增加至20种，解决了焊接波纹管的内、外缘焊缝接头标注问题[4]。
GB/T 324—2008参照采用的ISO 2553：1992《焊接、硬钎焊及软钎焊接头在图样上的符号表示法》目前已修订升级为2013第四版，其基本符号增至22种[5]。“端接”符号也发生了变化，见表1。
采用真空电子束焊接工艺的焊接波纹管的加工工艺路线，焊接波纹管的环形膜片（JB/T 8723—2008《焊接金属波纹管机械密封》中称为“波片”）一般用金属板、带材冲压成型，首先将膜片两两相对接内缘，成为一对波纹组合；然后将若干对波纹组合沿外边缘，成为焊接波纹管。最后在焊接波纹管两端焊上接头、端盖类零件后，成为完整的组件。
焊接夹具分为内环夹具及外环夹具。在设计膜片的内环夹具时，可以按膜片的内圆定位或按膜片的外圆定位。焊接外环缝时，一般以外圆定位。不论以内圆定位或者外圆定位，装配精度都受到膜片自身尺寸偏差的影响。
解决办法有两方面：一是提高膜片内外圆与波纹之间的同轴度，减小自身尺寸偏差；二是提高夹具精度，但容易使配合间隙过小而装夹困难。另一个办法是对冲好的膜片精磨，以减少膜片内外圆尺寸偏差，精磨时以实际夹具的定位圆为基准。
采用精磨的办法不仅能提高装配精度，而且还可以磨掉冲压的加工硬化层，有利于提高焊缝质量，缺点是工艺复杂、效率较低，应用较少。
焊接波纹管局部剖面分别为膜片的内、外边缘宽度，一般认为内、外边缘仅起工艺连接作用，在焊接波纹管拉、压过程中不参与弹性变形（实际上，在波纹管拉伸时，膜片边缘部分也会产生微量形变）。大多数情况下，a=b，称为“边宽”。
焊接接头形成过程中两膜片边缘对合齐整，在夹具的夹持下相互贴紧，端头熔化凝固形成沿圆周的环形焊缝。在JB/T 8723—2008《焊接金属波纹管机械密封》标准中，因“波片焊接形成的环形焊缝，其截面呈蘑菇状”，而将其称为“焊菇”。
膜片的边宽作为非功能尺寸参数，往往不被重视，但其直接影响接头的焊接工艺性和焊接质量。设计焊接波纹管时，膜片的边宽应能保证膜片在装夹夹具后留出足够的端头露出量。
焊接时，一般都会采用真空电子束或微束等离子等高能量密度焊接热源。焊缝无填充金属，靠膜片母材熔化凝固成型。接头截面焊前、焊后形状尺寸变化规律如下[6]：
（1）R/T=1时，焊缝熔深很浅，端头表面非但没有凹陷，反而隆起（K；0）。表现为焊后外缘直径变大，内缘直径变小，焊接规范小、接头强度低，此时K/T=-0.215。
（2）焊后内外缘直径不变时R/T=1.186，焊缝熔深略深，接头强度有所改善，可用于承受载荷较小的焊接波纹管，此时K/T=0。
（3）R/T=1.5时，焊菇头部成型饱满，接头强度佳，能够适用于承受较大动、静载荷，这也是国内外标准、规范所广为推荐的。焊后外缘直径变小、内缘直径变大，K/T=0.65。
根据体积不变原理绘制的K/T-R/T理论曲线和实测数据（以圆点表示），K/T称为熔陷系数，R/T称为截面系数[6]。当R/T=1.5时，K/T=0.654，即K=0.654T，这时对应的端头露出量h=3.272T。
一般的，端头露出量h取3～4倍膜片厚度为宜。h过小时，膜片端头露出尺寸小、熔陷高度不足，将导致熔深浅、焊菇宽度小、焊缝强度不足；h过大时，过大的膜片端头外露量使夹具的散热效果降低，焊缝成型变坏，容易呈波浪形甚至造成焊瘤。
当焊接波纹管的内、外径确定后，膜片的内、外径应相应的减少或增加熔陷高度余量2K。以R/T=1.5时为例：外径D膜片=D波纹管+1.3T；内径d膜片=d波纹管-1.3T。
进行逆向工程时，若忽略了熔陷余量而以测绘的焊接波纹管内、外径d波纹管、D波纹管作为膜片内、外径，即D膜片=D波纹管、d膜片=d波纹管，将会使膜片边宽不足，影响夹具设计、端头露出量h等，导致焊缝成型不足、接头强度降低等隐患。
标准JB/T 8723—2008《焊接金属波纹管机械密封》中对焊菇的形状、尺寸的要求为：①焊菇两凸边R应对称；②单层波片的焊菇宽度W=（2.2～3）T；③双层波片的焊菇宽度W=（4.2～5）T。单层和双层波片的焊接波纹管示例。
单层和双层波片的焊接波纹管示例文献[7]中，对内、外缘焊菇尺寸的规定为2.5～3.5倍的膜片厚度[7]。
焊菇宽度测量方便，焊后不需破环试样就可以使用通用量具测量，对重要产品还可以逐条焊缝全数测量，在焊接波纹管生产的全部过程中得到了广泛的应用。表1中ISO 2553：2013示意图所描述的熔深，则需切割镶样后测量，只能抽样进行。焊菇直径在2.5～3倍的膜片厚度范围内时，焊缝性能是最佳的。
当焊菇直径比给定的小时，在焊缝的外圆周上会产生很大应力，同时在焊缝根部应力会增加。在承受循环交变载荷时，焊缝会开裂而导致波纹管破坏。当焊菇直径大于最佳值时，熔合线上外部的应力集中效应越来越明显。由于焊缝外部和根部应力集中的叠加，易于在焊趾位置附近发生破坏[8]。
以膜片材质为AM350不锈钢、厚度0.1 mm+0.1 mm的端接接头为例，采用真空电子束焊接工艺，电压40 kV、电流1.2 mA（以下案例均与此相同），在焊接内缘时，膜片装在夹具中，倾斜45°后旋转进行焊接。
由于电子束热源与膜片接头位置不对称，靠上的膜片边缘熔化的多一些，导致焊菇形状不对称，严重时甚至会形成焊偏、咬边等缺陷。而所谓45°角波形的焊接波纹管，其膜片内缘呈锥形，如图1b后两种波形所示。焊接时熔池部分处于垂直向上状态，焊菇成形对称，有利于提高焊缝疲劳强度。
两膜片之间的焊菇根部为尖角，相当于裂纹源尤其在焊接波纹管产生轴向拉伸变形时，破坏往往由此处开始。当两膜片间有微量间隙时，焊菇根部背面可以圆滑成形，避免形成尖角，有利于提高接头的疲劳寿命[9]。
膜片边缘的冲裁毛刺是产生非预期间隙的根本原因，而可控间隙需要在膜片之间增加垫环或膜片边缘特殊成形来实现。据研究，与无背面成形的焊缝相比较，预留间隙接头的疲劳寿命可提高90%以上[9]。
但由于增加间隙工艺复杂，而膜片边缘冲裁毛刺的尺寸形状难于控制，该方法并未在生产中得到普遍应用。为提高焊接波纹管疲劳寿命，应尽可能使焊接波纹管工作于压缩状态（避免产生拉伸变形），以降低焊缝应力，避免疲劳开裂。
（1）焊接波纹管的端接接头质量控制和工装设计方面应遵循以下根本原则，以确保焊缝质量可靠性：焊菇宽度W=（2.5～3）T；端头露出量h=（3～4）T，适用于单层膜片的焊接波纹管。
（2）采取膜片内缘45°角波形面或其它措施以保证焊菇形状对称；焊菇根部的微量间隙有助于焊缝背面成形，提高焊缝疲劳强度。
（3）逆向工程时，因焊缝熔陷高度K≈0.65T，膜片内、外径应在焊接波纹管内、外径的基础上减少或增加熔陷余量2K，以确保焊后成品尺寸一致。
