金屬波紋管（Metal Bellows）是一種撓性、薄壁，有橫向波紋的管殼零件。它既有彈性特征，又有密封特性，在外力及力矩的作用下能產生軸向、側向、角向及其組合位移，密封性能好，同時還有吸振、降噪、熱補償及隔離介質的作用。金屬波紋管按具體的應用場景可以分為：高精度波紋管、高壓縮性能波紋管、恒彈性波紋管、耐高壓波紋管等。金屬波紋管的波紋結構類型有：U型、C型、Ω型、S型等。
最早的人們為了滿足生產需求，用獸皮縫制管狀結構。到17世紀末，荷蘭的萬德爾蓋金兄弟發明了縱向縫合的帆布軟管，并廣泛應用于消防領域中。隨著橡膠和硫化技術的發展，出現了膠管，但因膠管在高溫和腐蝕性介質中應用受限，推動了對金屬管的研究，最終產生了具備波紋結構的金屬波紋管。1855年，德國首次申請波紋管制造專利。1885年，法國E.Levavasseur和德國H.Witzenmann合作獲得螺旋波紋管專利。1894年，人們改進了波紋管的結構，使其在壓力下保持穩定。1929年，人們解決了密封性失效問題，發展了整體波紋管。20世紀50年代后，雙層、多層及極薄壁不銹鋼波紋管迅速發展。
金屬波紋管廣泛應用于儀表、機械、電力、石油化工、航空航天等領域，主要功能包括：作為流體系統的補償元件，用于溫度、體積和軸向的調節；作為密封元件，用于實現高要求的無填料密封；作為結構元件，因其可變性與伸縮性，在多種工業設備中提供柔性連接；此外，還可作為貯能元件，用于一些特殊場合的能量存儲與釋放。
歷史沿革
起源
最初，為了滿足生產生活的需求，人們利用獸皮縫合成管狀結構。到17世紀末，荷蘭的萬德爾蓋金兄弟發明了縱向縫合的帆布軟管，這種軟管在當時的消防業務中得到了廣泛應用。隨著橡膠和硫化工藝的發展，膠管及其鎧裝版本逐漸出現。然而，在高溫介質（如蒸汽、熱風）和低溫介質（如液氫、液氧）以及汽油、酸堿等腐蝕性介質的輸送中，膠管的應用受到限制，尤其在高溫條件下的可靠性較差。因此，金屬管成為了人們關注的對象，通過改變其幾何形狀，設計出了內外表面帶有波紋的金屬波紋管。這樣一來，金屬波紋管既具備了類似膠管的柔韌性，又具備了耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等優良特性。
技術突破
1855年，德國首次申請了制造波紋管的專利，基于制造首飾的工藝原理制造波紋管。三十年后，法國的E.Levavasseur與德國的H.Witzenmann合作開發了一種新型的螺旋波紋管，并于1885年獲得了法國和德國的專利。這種波紋管由截面為S型的金屬帶繞制而成，并在相鄰咬口處填充橡膠帶、棉織物或石棉繩以提高密封性。1894年，這類波紋管進一步改進，人們通過將兩根金屬帶按不同直徑向相反方向卷繞，從而克服了波紋管自發展開的缺點。
1929年，波紋管技術迎來了又一次革新，解決了因彎曲導致的密封性失效問題，使得波紋管的發展空間更加廣闊。此時，人們使用鋼和銅鋅合金材料制造出整體波紋管，即無縫或有焊縫的波紋管，依靠波紋側壁的彈性變形來保證一定的可壓縮性或可拉伸性和可靠的密封性。從20世紀50年代起，雙層、三層及多層的波紋管，尤其是極薄壁不銹鋼波紋管得到了快速發展。人們采用焊接、電鑄、液壓等多種工藝方法，制造出直徑從2毫米到10米不等的波紋管，并配備不同的外部保護材料和接頭形式，以適應多種復雜的使用環境和需求。
主要分類
隨著科學技術的進步，金屬波紋管在眾多特殊應用領域中面臨著不斷提高的性能要求。為了滿足這些新需求，人們開發了許多新型金屬波紋管產品，主要有高精度、高壓縮性、恒彈性、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕、小型化等產品。不同類型的金屬波紋管能夠滿足各種特定環境中的應用需求，以下從具體應用場景的角度進行分類介紹。
高精度波紋管
高精度波紋管通常采用焊接結構，適用于位移平衡式儀表或其他對元件特性要求較高的應用場合。美國生產的這類波紋管非線性可小于0.4%，滯后和彈性系數等性能優于傳統的液壓成形波紋管。日本采用NKO材料制成的焊接波紋管，非線性為0.5%，滯后小于0.3%。
高壓縮性能波紋管
通常波紋管的壓縮量為自由長度的50%，但在使用時壓縮比通常取10%以內以延長使用壽命。然而在某些特殊場合中，需要更高壓縮性的波紋管。1966年，美國發明了一種新的階梯狀波紋波紋管（美國專利№3030982），其壓縮量可達自由長度的65%至75%，且剛度小、靈敏度高。這種波紋管已經在航空領域中得到了應用。
恒彈性波紋管
恒彈性波紋管的性能受環境溫度變化的影響較小，通常采用如Ni42CrTiAl的恒彈性材料。美國采用了一種鎳基C902合金，其成分包括Ni42、Cr5.5、Ti2.5、Mn0.4、C0.06、Si0.5、Al0.4等，用于制造恒彈性波紋管，適合在溫度波動環境中使用。
耐高壓波紋管
耐高壓波紋管多采用多層結構，或通過改進波紋形狀設計出S形和G形波紋的產品。多層波紋管采用不銹鋼材料，層數一般為2至4層，部分特殊應用則超過4層。此類波紋管常用于高壓閥門中作高壓密封，耐壓范圍從幾公斤到40公斤/厘米2，如民德VEB Noremat Noosen廠生產的三層波紋管。美國發明了一種疊層式焊接波紋管（美國專利№3090403），耐壓力可達140-700公斤/厘米2。此外，有些波紋管通過不銹鋼絲網套結構進一步提高耐壓能力。
耐高溫波紋管
耐高溫波紋管的適用溫度范圍通常在1000°C以下。日本利用Inconel合金制成的測量波紋管，能夠在600°C的高溫環境中正常工作。美國Marman公司生產的波紋管式熱補償器適用于870°C的環境。西德Pforzheim金屬軟管廠生產的一種耐熱鋼補償器則可用于1000°C的高溫環境。
耐腐蝕波紋管
隨著化學工業的發展，耐腐蝕波紋管的需求日益增加。美國和西德在這方面取得了較大進展，廣泛使用AISI304和316型不銹鋼，這些材料對于硫化物和氯化物具有良好的抗腐蝕能力。西德Pforzheim金屬軟管廠在腐蝕性環境中推薦使用銀、Hastelloy B.C、鈦等材料，日本也推薦使用Hastelloy B.C材料。
小型波紋管
波紋管的小型化使其能夠用于電子工業、儀器儀表和航空工業。英國Plessey宇航公司通過電成型技術制造的小型波紋管，直徑為6.4-40毫米，壁厚為0.04毫米。美國Servometer公司生產的小型波紋管內徑為1.6-32毫米，壁厚0.008毫米。1972年，美國報道了使用99.85%純鎳材料制造的小型波紋管，外徑為0.94毫米，長度為1毫米，壁厚為0.008毫米，施壓4克微小壓力即可完全壓縮，泄漏率低至1×10^-11標準氣壓cc/秒，適用于高精度電子儀器及航空應用。
制作工藝
金屬波紋管的制作是從選用原材料開始，經過管坯制造、波紋管成形、整形、熱理、表面處理、質董檢驗等主要工藝環節。
金屬波紋管管坯制造工藝
金屬波紋管的管坯分為兩種類型：無縫管坯和有縫管坯。無縫管坯的制造工藝根據所選原材料有所不同。材料加工廠可生產壁厚在0.1至0.3毫米之間、外徑為Φ10至60毫米的長不銹鋼薄壁無縫管，長度可達6米。此類管坯表面光滑，但壁厚公差較大（±0.03毫米），多用于螺旋波紋管和精度要求較低的環形波紋管。對于要求較高的波紋管，則可通過拉深或旋壓工藝，生產出壁厚公差小于或等于±0.005毫米的短管坯。有縫管坯是通過將板材或帶材卷制后焊接而成，其質量依賴于所用材料和焊接工藝，且在制造過程中更易控制公差。
多次變薄拉深制造工藝
多次變薄拉深工藝適用于制造長度小于300毫米的波紋管管坯。該工藝過程包括落料、多次拉深、多次熱處理以及多次變薄拉深等步驟。此工藝能夠生產出適合短管坯的高精度波紋管。
鋼球旋壓變薄拉深制造工藝
鋼球旋壓變薄拉深是一種在毛坯高速旋轉下，通過凸模、凹模和鋼球之間的輾壓作用，使材料拉深變薄的工藝方法。此工藝中，凸模或凹模高速旋轉帶動鋼球沿毛坯周向高速旋轉，毛坯在軸向進給時，材料在正向力和切向力作用下變形。鋼球旋壓拉深有正旋壓拉深和反旋壓拉深兩種方式。
焊接管坯制造工藝
焊接制造工藝是一種高效、成本低、易于控制壁厚的波紋管管坯生產方法，適應性強。焊接工藝常用于制造膨脹節用的大直徑波紋管管坯和軟管用管坯。目前，焊接工藝主要包括氣體保護直流氬弧焊、微弧等離子焊接以及激光焊接等方法，適用于焊接厚度為0.16至1.0毫米的管坯。常用材料有1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2和GH169等。
成型工藝
這種工藝將軟狀態的金屬薄壁管坯，通過旋轉的、具有特定孔型的模具軋制成螺旋波紋管。該方法使用的工裝簡單，甚至可以直接用車床設備進行操作，因此生產周期較短且生產效率較高。然而，由于模具與工件之間存在摩擦，可能會對產品的強度產生一定影響。
液壓成型
液壓成型是金屬波紋管生產中常用的冷加工方法之一，廣泛應用于國內外。該工藝通過高壓液體使軟狀態的金屬薄壁筒脹鼓，脹鼓區域由預定模具控制，隨后模具進行軸向壓縮，從而形成波紋管。液壓成型具有生產效率高、成本低的優點，但因模具設計復雜、產品性能的離散性較大，不適合小批量、多品種生產，也無法完全滿足儀器儀表高精度的需求。為此，液壓連續成型工藝應運而生，其特點是逐個或成組地成型波紋，以簡化模具，更適合制造波數較多的波紋管。
焊接工藝
焊接工藝通過將預先成型的圓片在其內外邊緣進行連續焊接，制成波紋管。該工藝允許成型圓片壓制出多種波紋型面，使得波紋管具備較好的線性性能。由于成型圓片各部分變形均勻、壁厚一致，該工藝制成的波紋管在使用中各種非彈性效應較小，適合需要高精度的波紋管生產。然而，焊接工藝的技術要求較高，成品率低且成本較高，因此一般情況下不推薦在普通應用場合使用。
電沉積工藝
電沉積工藝是一種特殊的沉積方法，先在加工好的鋁模上沉積一層純鎳，然后移除鋁模，留下與鋁模形狀一致的波紋管。該工藝特別適合制作超小型或異型波紋管，是對傳統波紋管成型工藝的有力補充。但由于鋁模的加工難度大、工藝要求高，這種方法不適合大批量生產。
化學沉積法
化學沉積法是在鎳磷酸脂溶液中對波紋狀芯軸進行鍍敷，然后通過溶解去除芯軸表面，制成波紋管。這種方法生產的波紋管并非純金屬，而是由鎳磷酸化合物構成。此工藝適用于加工特殊形狀的波紋管，成品具有較高的拉伸強度，但延展性較差，在振動環境下容易破裂。美國專利3030982中的波紋管就是采用這種工藝制成的。然而，這種方法在成批生產中局限性較大，已逐漸被電沉積法取代。
熱處理工藝
金屬加工過程中，由于冷作硬化會導致塑性降低，為了恢復塑性，通常在兩道變形工序之間需要進行熱處理退火。過去，國外普遍使用箱式爐或井式爐。自六十年代以來，一些生產廠為了提高熱處理的質量和自動化程度，推廣了新型工藝。例如，日本鷺宮制作所在處理磷青銅波紋管及管坯時，采用了自動連續退火爐，在1965年已有15臺這種設備。在不銹鋼處理方面，采用了高頻真空退火爐，生產效率較高，1至30秒即可完成一次退火過程。此外，光亮退火爐（包括真空式和氫氣保護式）也被廣泛應用，如日本富士波紋管廠和東京螺旋管制作所。在1965年，富士波紋管廠擁有8臺光亮退火爐（其中7臺為真空式，1臺為氣式）。實踐表明，這種退火方式比傳統方法更具優勢，能夠直接得到光潔表面，從而提高波紋管的抗腐蝕性能。
檢測工藝
根據元件的具體使用對象，檢測項目也有所不同。除了使用通用的測壓、測位移儀器外，許多工廠還自制了專用檢測儀器，如日本富士波紋管廠、鷺宮制作所、東京螺旋管制作所，以及西德的IWK廠等。雖然這些檢測儀器的設計較為簡單，但非常實用，適合生產車間使用，例如彈性系數、氣密性和疲勞測試儀器。在實驗室中，使用的儀器更為復雜，用于有效面積和特性測試。日本富士波紋管廠早在1965年就開始使用光機電結合的自動化檢測設備，配有打印、顯示和記錄裝置。
產品結構
金屬波紋管的結構形式主要有U形、C形、Ω形、S形（波形）、圓弧形、V形（平板形）和階梯形等。其中，以U形和S形應用最為廣泛。通常情況下，U形、C形、Ω形和階梯形波紋管采用液壓成型工藝，而V形和S形波紋管多為焊接成型。當然，根據結構尺寸或制造工藝要求，U形和Ω形波紋管有時也會采用焊接成型工藝。
金屬波紋管的性能在很大程度上取決于其結構，不同的結構形式決定了其不同的性能表現。波型是指波紋管沿軸向剖開后的波紋形狀。常見的波型有U型、C型、Ω型和S型。為增強波紋管的承壓能力和降低剛度，開發了多層波紋管以及帶有加強環的波紋管。
總的來說，波紋管的橫截面形狀對性能有明顯影響。圓環形橫截面具有較強的承壓能力，但其許用位移較小。U型橫截面則能夠承受較大的位移，但其承壓能力相對較低。在國內，U型波紋管是應用最為普遍的一種。在需要承受較高工作壓力和較大位移的情況下，多層U型波紋管結構較為適合。C型波紋管具有較大的剛度，但靈敏度較低，且非線性誤差較大，通常用作密封隔離元件或撓性聯接件。Ω形和S形波紋管則多用于高壓、低位移的應用場合，如高壓閥門中的密封隔離元件。
波紋管兩端的連接結構有五種基本類型：內配合、外配合、封閉底、在波峰處無直壁段切斷、在波谷處無直壁段切斷。通過這五種端部結構的任意組合，可以為同一波紋管設計出14種不同的端部結構形式，從而滿足各種應用需求。
應用領域
金屬波紋管在儀表、機械、電力、石油、化工、冶金、熱力、船舶、航天、航空等領域均有十分重要的應用。
補償元件
由于金屬波紋管具有容積可變的特性，它廣泛用于流體系統中的各種補償任務，如溫度補償、體積補償、軸向補償等。此外，它還可以在氣路系統中作為可調節的氣容，調節系統的壓力和流量，保持系統的穩定運行。
密封元件
在現代國防和工業系統中，許多應用場景要求對液態物質進行絕對密封，傳統的填料密封往往無法滿足這種高要求。金屬波紋管的無填料密封技術解決了這一難題，實現了可靠的密封效果。在微波技術中，金屬波紋管在密封器件的內部調節中也發揮了重要作用。
結構元件
金屬波紋管因其可變性和伸縮性，在機械工業、宇航、航空以及醫療器械等領域，被用作特殊的結構元件，如軟連接、軟管道等。這類元件不僅具有重量輕的特點，還具備長壽命的優勢，提升了系統的整體性能和可靠性。
貯能元件
金屬波紋管還具有彈性貯能的作用，因此可以在一些特殊應用中作為貯能元件。例如，在要求無電感的開關中，金屬波紋管可作為無電感彈簧使用，有效地提供能量存儲和釋放功能。
標準規范
參考資料 >
金屬波紋管.全國標準信息服務平臺.2024-10-25