田國平，張 松，梁志方，高艷芳，陳志遠(yuǎn)，高嘉爽

1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245 2.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046012

0 前言

5A06鋁合金屬于Al-Mg系防銹鋁，具有較好的耐蝕性、強(qiáng)度以及焊接性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電力、化工、輕工、航天、航空等領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上，例如飛機(jī)、飛船、火箭、導(dǎo)彈等等，是航空、航天產(chǎn)品不可或缺的重要材料。鋁合金產(chǎn)品的關(guān)鍵受壓焊縫采用傳統(tǒng)焊接方式存在易產(chǎn)生氣孔、焊縫變形大難控制、焊接接頭強(qiáng)度低等問題[1-2]。攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型焊接技術(shù)，克服了傳統(tǒng)焊接易出現(xiàn)氣孔、裂紋、變形等缺陷，在鋁合金產(chǎn)品焊接上得到了廣泛應(yīng)用[3]。

本研究中鋁合金筒段（5A06 H112，內(nèi)徑Φ2 110×12+40mm）任務(wù)需批量生產(chǎn)，且筒段本體縱、環(huán)縫需滿足GJB2698二級(jí)射線合格要求，附件焊縫滿足GJB2698外觀合格。采用FSW焊可解決熔焊焊縫易產(chǎn)生氣孔缺陷、接頭強(qiáng)度低等工藝難點(diǎn)；采用MIG焊焊接筒段上附件可顯著縮短制造周期。但該典型筒類鋁合金裝焊件利用FSW+MIG焊接成型特點(diǎn)為：直徑大、壁厚薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接變形大，筒體焊后變形不規(guī)律，導(dǎo)致筒體按設(shè)計(jì)要求由焊前理論內(nèi)徑Φ2 102 mm加工至設(shè)計(jì)要求內(nèi)徑Φ2 110 mm后壁厚偏薄或者偏厚，對(duì)構(gòu)件的使用性能影響很大，這一問題一直未能得到很好的解決。相關(guān)研究表明，通過優(yōu)化攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度等工藝參數(shù)可提升鋁合金焊縫一次合格率和接頭強(qiáng)度[4]，但目前還未發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化FSW、MIG焊接工藝來控制鋁合金筒體焊接變形的研究。本文主要通過研究FSW、MIG筒體焊接變形規(guī)律，確立合適的焊接變形控制措施及焊接余量分配原則，確保產(chǎn)品焊接變形規(guī)律可控，最終產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

筒體本體及附件材料均為5A06 H112，筒體最終尺寸：長(zhǎng)度3 m、內(nèi)徑Φ2 110 mm、壁厚mm。本體由兩端法蘭、中間筒體以及加強(qiáng)座體組成，包括一條縱縫、兩圈法蘭環(huán)縫及加強(qiáng)座體環(huán)縫，采用FSW焊接。筒體外表面分布著62種零組件，共計(jì)230個(gè)零件，包括1個(gè)厚度40 mm全焊透的前吊耳、2組整圈分布厚度20 mm全焊透的環(huán)筋、2組厚度15 mm全焊透的導(dǎo)向板、口座及加強(qiáng)座體以及大量角焊縫連接的附件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用MIG焊接。

圖1 筒體附件零件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of shell accessories

中間筒體由一塊壁板（5A06 H112，20 mm）整體滾彎，筒體滾彎后的圓度決定了整個(gè)產(chǎn)品的最終精度，技術(shù)指標(biāo)為滾彎后內(nèi)徑圓度控制在2 mm，即Φ2 102～2 104 mm，單邊焊接余量20-12-（2 110-2 102）/2=4 mm。筒體生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 筒體FSW成型工藝流程Fig.2 FSW forming process flow

MIG焊焊接前筒體內(nèi)壁采用內(nèi)撐工裝對(duì)筒體進(jìn)行支撐防止附件焊接后內(nèi)凹變形，焊后內(nèi)撐工裝隨筒體進(jìn)行去應(yīng)力退火，工裝示意如圖3所示。該內(nèi)撐工裝周向可調(diào)，具有鎖緊功能[5]。

圖3 附件焊接內(nèi)撐工裝示意Fig.3 Schematic diagram of accessory welding inner support tooling

2 焊接變形

2.1 FSW焊焊后變形分析

筒體縱焊縫厚度20 mm、長(zhǎng)度3 m，焊前利用內(nèi)撐工裝固定保證錯(cuò)邊小于1 mm，采用重載五軸攪拌摩擦焊設(shè)備雙面對(duì)稱等焊接，定位攪拌頭預(yù)焊5 mm（轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)速600 r/min，焊接速度300 mm/min），每側(cè)正式焊接厚度10.5 mm（轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)速600 r/min，焊接速度150 mm/min），焊接順序?yàn)椤跋群竷?nèi)焊再焊外焊，由中間向兩端焊”（內(nèi)焊指攪拌針從筒體內(nèi)側(cè)焊接，外焊指攪拌針從筒體外側(cè)焊接，下同）。裝配過程中，通過工裝壓板上兩排螺栓來保證裝配精度以及背部型面的貼合，如圖4所示。焊后筒體縱縫位置及其附近向內(nèi)凹8～10 mm。

圖4 FSW縱縫焊接Fig.4 FSW longitudinal seam welding

法蘭筒體對(duì)接環(huán)焊縫厚度20 mm，焊前利用支撐工裝固定保證錯(cuò)邊小于1 mm，采用雙面焊接。焊接順序?yàn)椤跋群竷?nèi)焊再焊外焊，由中間向兩端焊”。內(nèi)焊時(shí)采用環(huán)縫外撐工裝裝夾，工裝上端4塊弧形板徑向可伸縮，弧形板外圈通過螺栓來緊固，通過該裝夾方式來提供焊縫背部支撐，見圖5a，焊接深度控制在6～7 mm（FSW參數(shù)：焊接轉(zhuǎn)速600 r/min，焊接速度220 mm/min）。外焊時(shí)采用內(nèi)撐工裝裝夾，焊接位置靠近機(jī)床臺(tái)面，見圖5b，焊接深度控制在13～14 mm（FSW參數(shù)：焊接轉(zhuǎn)速600 r/min，焊接速度150 mm/min）。焊后環(huán)縫位置內(nèi)凹4～7 mm。

圖5 FSW內(nèi)焊、外焊焊接Fig.5 FSW internal welding and external welding

筒體開口區(qū)域的口座（圖6紅色零件）與筒段本體環(huán)焊縫厚度20 mm，焊前利用支撐工裝固定保證錯(cuò)邊小于0.5 mm，采用雙面焊接，內(nèi)焊、外焊均采用重載五軸攪拌摩擦焊設(shè)備，焊接順序、FSW焊接參數(shù)及工裝剛性支撐與環(huán)縫相同，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 FSW加強(qiáng)座體焊接Fig.6 FSW reinforced seat welding

由上述可知，縱焊縫和環(huán)焊縫焊后筒體內(nèi)凹單邊達(dá)到5 mm，特別是縱焊縫局部區(qū)域單邊內(nèi)凹達(dá)到8～10 mm；加強(qiáng)座體環(huán)焊縫側(cè)單邊內(nèi)凹達(dá)到5～8 mm，而筒體本身焊接加工余量單邊只有4 mm，遠(yuǎn)不滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件中對(duì)通過去除機(jī)加工余量剩余壁厚不小于12 mm要求。

分析其原因：FSW焊接時(shí)采用環(huán)縫內(nèi)撐或者外撐工裝裝夾，工裝上端弧形板徑向可伸縮，通過這種裝夾方式來提供焊縫背部鋼性支撐。通過調(diào)節(jié)弧形板背部螺栓將弧形板與筒內(nèi)壁及端框的貼胎度控制在0.5 mm以下，使對(duì)接環(huán)向焊縫錯(cuò)位≤1 mm。由于其焊接特性，工裝在防變形時(shí)無法采用焊接反變形、雙面同時(shí)對(duì)稱焊等傳統(tǒng)控制焊接變形的手段，環(huán)縫焊接時(shí)由于兩側(cè)焊接厚度的不對(duì)稱性，且最后焊接外側(cè)13 mm厚度焊縫，導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力分布不均勻[6]。FSW焊接時(shí)，前進(jìn)側(cè)的溫度高于返回側(cè)，導(dǎo)致焊接區(qū)溫度場(chǎng)分布呈中央高、四周低的現(xiàn)象，又因熱脹冷縮會(huì)出現(xiàn)非均勻應(yīng)變場(chǎng)，從而在焊縫附件產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，在沿厚度方向不均勻分布的殘余應(yīng)力的綜合作用下[7]，在加上最后一道外焊焊縫高達(dá)約30 kN的軸肩下壓力綜合作用下，筒體在焊后產(chǎn)生較大的內(nèi)凹變形。

2.2 MIG焊焊后變形分析

5A06口座（見圖6）周圍筒體FSW環(huán)縫焊后存在內(nèi)凹，由于加強(qiáng)座體強(qiáng)度高一般僅可將筒體內(nèi)徑撐至Φ2 100 mm左右，口座與筒體坡口焊縫手工MIG焊時(shí)（ER5356Φ1.6 mm，電流：180～220 A）利用工裝將內(nèi)凹區(qū)域向外撐，但隨后利用在加強(qiáng)座體外側(cè)焊接厚度40 mm全焊透口座以及沿筒體周向厚度20 mm的5A06加強(qiáng)筋，與筒體焊縫均開坡口全焊透。5A06鋁合金材料的線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)的體積收縮率約為6.5%，由于口座、加強(qiáng)筋均為全焊透焊縫，焊接填充量大、熱輸入量大，焊后內(nèi)凹收縮變形較大[8]。整體焊接完畢后進(jìn)行高溫去應(yīng)力熱處理（240～260℃×6 h），熱處理后殘余內(nèi)凹變形單邊最大仍達(dá)到8 mm。

3 工藝優(yōu)化

3.1 焊接工藝優(yōu)化

（1）開展縱縫、加強(qiáng)座體環(huán)縫焊接工藝優(yōu)化。針對(duì)焊后局部?jī)?nèi)凹較大等現(xiàn)象，焊接順序由原來“先焊內(nèi)焊縫再焊外焊縫”調(diào)整為“先焊外焊縫再焊內(nèi)焊縫”，雙面焊接深度均調(diào)整至10.5 mm；同時(shí)優(yōu)化焊接工裝圓弧板結(jié)構(gòu)，通過工裝壓板上兩排螺栓來保證裝配精度以及背部型面的貼合，焊接過程分為定位焊及正式焊，定位焊接可以進(jìn)一步提升裝配質(zhì)量，保證錯(cuò)邊量≤0.5 mm。將非對(duì)稱厚度焊接改為完全對(duì)稱厚度雙面焊接可以減小由于內(nèi)外焊深度不同所導(dǎo)致的焊接變形差別過大；通過調(diào)整焊接順序，最后一道采用內(nèi)焊可以利用軸肩巨大的下壓力對(duì)由于外焊焊縫焊導(dǎo)致的塑性變形進(jìn)行矯形，故通過工藝優(yōu)化后筒體本體拼焊后圓度基本上控制在5 mm以內(nèi)。

（2）開展環(huán)縫FSW單面20 mm外焊工藝研究，焊接位置位于筒體底部，見圖5。焊接時(shí)采用環(huán)縫內(nèi)撐工裝裝夾，工裝上端弧形板徑向可伸縮，通過這種裝夾方式來提供焊縫背部鋼性支撐。調(diào)節(jié)弧形板背部螺栓來控制弧形板與筒內(nèi)壁及端框的貼胎度，將貼胎度控制在0.5 mm以下，以滿足對(duì)接環(huán)向焊縫錯(cuò)位≤1 mm的技術(shù)要求。通過單面焊工藝及工裝改進(jìn)，改進(jìn)后FSW焊接參數(shù)為：轉(zhuǎn)速300 r/min，焊接速度80 mm/min。環(huán)縫焊后支撐工裝不拆除，通過工裝保證筒體內(nèi)凹不大于2 mm即圓度控制在4 mm以內(nèi)。

（3）縱環(huán)縫及加強(qiáng)座體環(huán)縫FSW焊接完畢后筒體附件裝配前，增加一道熱處理矯形工序。利用內(nèi)撐工裝對(duì)局部變形較大處進(jìn)行撐圓矯形，使內(nèi)徑基本達(dá)到Φ2 100～2 104 mm后進(jìn)爐進(jìn)行去應(yīng)力退火，250～270℃保溫6 h，退火后圓度不超過4 mm。

（4）MIG焊前裝配內(nèi)撐工裝時(shí)，對(duì)前期精加工后壁厚偏薄區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，壁厚偏薄區(qū)域基本分布在加強(qiáng)座體、吊耳、密集安裝座周圍區(qū)域母材。針對(duì)焊接變形規(guī)律制定內(nèi)撐工裝布置圖，對(duì)焊接變形大的區(qū)域每檔增設(shè)一檔內(nèi)撐工裝，優(yōu)先對(duì)FSW焊變形處進(jìn)行撐圓，達(dá)到矯形目的；優(yōu)化焊接順序，避免集中焊接導(dǎo)致焊接變形大[9]。

（5）優(yōu)化筒體內(nèi)壁精加工流程：首先利用立車加工筒體內(nèi)壁，對(duì)筒體的圓度及機(jī)加工后理論壁厚數(shù)據(jù)綜合分析后，對(duì)壁厚不滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)域，通過調(diào)整端框面使筒體中心稍微偏移，可將較薄區(qū)域母材增厚1 mm左右。

通過以上一系列工藝改進(jìn)，筒體精加工后壁厚合格率由前期的23%提高至100%。

3.2 裝配工藝優(yōu)化

（1）針對(duì)筒體變形后，圓弧長(zhǎng)度測(cè)量困難導(dǎo)致附件定位安裝困難等情況，采用機(jī)加工在筒體外表面刻安裝位置線的同時(shí)進(jìn)一步細(xì)化刻線要求，同時(shí)在零件上刻相應(yīng)十字定位中心線，安裝時(shí)直接對(duì)十字線，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位[10]。

（2）針對(duì)前期焊接后由于變形的不協(xié)調(diào)性導(dǎo)致的工裝拆除困難問題，利用工裝定位功能，定位后利用臨時(shí)工裝制作定位工裝，定位后移出原工裝，裝拆工裝效率大幅提升。

（3）針對(duì)內(nèi)撐工裝安裝及拆除情況，引進(jìn)電動(dòng)扳手、氣動(dòng)風(fēng)炮機(jī)，其中大功率電動(dòng)扳手用于安裝頂緊螺栓，風(fēng)炮機(jī)用于拆除螺栓，能夠大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升工作效率。

通過以上一系列工藝改進(jìn)，每個(gè)筒體附件裝焊制造效率提升20%以上。

4 結(jié)論

（1）通過改變FSW焊接順序，先焊接外焊縫再焊接內(nèi)焊縫，雙面焊焊縫厚度均調(diào)整至10.5 mm，利用最后一道內(nèi)焊焊縫軸肩壓力及焊接變形可有效抵消外焊焊縫的部分變形，改善筒體焊后內(nèi)凹變形嚴(yán)重，圓度控制在5 mm以內(nèi)。

（2）改變FSW焊后熱處理矯形工藝，可對(duì)筒體圓度通過熱處理進(jìn)行矯形，圓度控制在4 mm以內(nèi)。

（3）通過優(yōu)化熔焊前內(nèi)撐工裝的布置及裝配工序，可有效控制大量附件MIG焊所導(dǎo)致的筒體內(nèi)凹，從而保證筒體精加工后壁厚，壁厚合格率由前期的23%提高至100%。

（4）通過固化工藝余量、合理利用裝配工裝，以及引進(jìn)電動(dòng)扳手及氣動(dòng)風(fēng)炮機(jī)等措施，可以使整體裝焊效率提升20%以上。