姚賽，劉帥，楊小芳

上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108

1 序言

薄壁圓筒殼體之間常見的連接方式有螺釘連接、螺紋連接、卡箍連接與楔環(huán)連接等。楔環(huán)連接具有結(jié)構(gòu)緊湊、徑向空間利用率高的優(yōu)點，同時連接后外表面光滑，有利于減小流體阻力及噪聲，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于魚雷、導(dǎo)彈及火箭發(fā)動機等圓柱殼體的連接中[1，2]。國內(nèi)外學(xué)者和機構(gòu)對楔環(huán)的研究不斷深入。馬銳磊、尹韶平等[3]通過運用有限元分析法研究了楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對魚雷殼體聲輻射的影響。黃鵬等[4，5]利用參數(shù)化有限元方法，通過對楔環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，獲得提升結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化方案。陳少強等[6]從拆裝方便、提升保障能力的角度，提出了一種魚雷楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。雖然現(xiàn)有學(xué)者對楔環(huán)展開了大量研究工作，但大多研究楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、楔環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及楔環(huán)對圓形設(shè)備某些性能的影響等，而對楔環(huán)加工制造工藝研究較少，且基本集中在楔環(huán)機加工方面（如過群輝[7]闡述了某水下航行殼體楔環(huán)內(nèi)外止口的兩種加工工藝方法），鮮有對楔環(huán)材料的熱處理工藝進(jìn)行研究。

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，設(shè)計制造難度相對較大，裝配時需使用專用工具，拆裝次數(shù)不宜過多[8]。楔環(huán)在裝配和拆卸過程中，容易造成變形損壞，這對楔環(huán)的材料有著較高要求，如具有較高的強度與硬度，能夠承受一定的作用力且具有一定的耐磨性，同時具有良好的韌性，在多次拆裝后不會變形損壞等，即楔環(huán)材料要具有良好的綜合力學(xué)性能。為此，本文參考GJB 819——1990《楔環(huán)連接》技術(shù)規(guī)范，設(shè)計了適用于外徑180mm殼體的楔環(huán)結(jié)構(gòu)，著重研究楔環(huán)材料的熱處理工藝對其力學(xué)性能的影響，并通過實際加工制造驗證熱處理工藝的可行性。

2 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)內(nèi)殼體、環(huán)外殼體及一對楔環(huán)等，如圖1所示。其中，環(huán)內(nèi)殼體有一外環(huán)形槽，環(huán)外殼體有一內(nèi)環(huán)形槽。當(dāng)內(nèi)外殼體連接時，會在內(nèi)部形成一矩形截面的環(huán)形空腔。一對楔環(huán)則是矩形截面的環(huán)形金屬帶，分別從外殼體的安裝孔處以相反的方向裝入環(huán)形空腔內(nèi)。

圖1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)及展開示意

殼體安裝完成后，依靠楔環(huán)傳遞軸向力，為防止楔環(huán)松脫，楔環(huán)的拼合面斜度即α角應(yīng)滿足小于滑動自鎖角αcr，即

根據(jù)經(jīng)驗，一般取H/（πDm）的值為0.1[4]，即

本文試制加工的楔環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸取值如下：α＝1.33°，H＝12.5mm，b＝2.8mm，L＝499.6mm，Dm＝φ169mm。該楔環(huán)適用于外徑180mm的圓筒殼體連接。

3 試驗過程

3.1 楔環(huán)材料

7XXX系（Al-Zn-Mg-Cu系）合金具有高比強度、高韌性，良好的耐磨性、耐蝕性，以及很好的焊接能力和加工性能等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、軍工裝備等領(lǐng)域[9-11]。因此，楔環(huán)的材料選用7XXX系鋁合金，不僅可以滿足強度要求，實現(xiàn)輕量化目標(biāo)，而且良好的塑韌性使得楔環(huán)在多次裝卸過程中不易發(fā)生變形及損壞。7XXX系鋁合金可通過熱處理強化，合金強度、韌性均可通過控制熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

本文制造加工楔環(huán)的原材料為φ180mm×100mm的7075鋁合金，其化學(xué)成分見表1。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 熱處理工藝

7075鋁合金是典型的熱處理強化合金，合適的熱處理工藝可以改善組織不均勻性，改變析出相的成分與尺寸大小，從而提高材料的力學(xué)性能。其主要熱處理工藝包括固溶處理、時效處理、均勻化退火、回歸再時效等。其中，固溶處理和時效處理對鋁合金性能影響最大。

隨著固溶溫度與時間的提高，合金中的粗大第二相與一些難溶相逐漸溶于基體中，形成過飽和固溶體。合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率及顯微硬度均呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。7075鋁合金適宜的固溶處理工藝為（470±5）℃×1h[12]。故本次楔環(huán)固溶處理工藝為（470±5）℃×1h，淬火轉(zhuǎn)移時間＜10s，淬火水溫＜25℃。固溶處理完成后，將原材料先進(jìn)行粗加工。

鋁合金具有很強的析出強化效果，有效改變晶界和晶內(nèi)析出相的尺寸與形貌，調(diào)控合金強度與耐蝕性[12]。常見的時效處理工藝有單級時效、雙級時效與回歸再時效。本次7075鋁合金材料熱處理工藝包括單級時效與雙級時效，具體楔環(huán)加工工藝見表2。

表2 楔環(huán)加工工藝

3.3 試驗方法

試樣的顯微維氏硬度按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進(jìn)行測量，每個試樣取3個測量點。

試樣的拉伸性能按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進(jìn)行測量。

試樣的夏比沖擊韌度按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進(jìn)行測量，每種熱處理工藝共測試3個試樣。

4 結(jié)果及分析

圖2所示為不同熱處理工藝下的楔環(huán)材料的顯微維氏硬度值。由圖2可知，A工藝材料的顯微硬度平均值為158.5HV，經(jīng)固溶＋單級時效處理（B工藝），顯微硬度平均值提高至179.6HV，固溶＋雙級時效處理（C工藝），顯微硬度平均值降低至149 HV。

圖3所示為不同處理工藝下材料的拉伸性能。由圖3可知，經(jīng)固溶＋單級時效處理（B工藝），材料抗拉強度、屈服強度與伸長率較A工藝分別提高35MPa、29MPa與0.5%，達(dá)到542MPa、442MPa與10%。而經(jīng)固溶＋雙級時效處理（C工藝），材料抗拉強度、屈服強度與伸長率分別較A工藝降低19MPa、9MPa與1%，達(dá)到488MPa、404MPa與8.5%。

圖2 不同工藝后試樣顯微硬度

圖3 不同工藝后試樣拉伸性能

圖4所示為不同處理工藝下材料的夏比沖擊吸收能量值。由圖4可知，A工藝材料的夏比沖擊吸收能量平均值為6.3J，經(jīng)固溶＋單級時效處理（B工藝），夏比沖擊吸收能量平均值為2.3J，經(jīng)固溶＋雙級時效處理（C工藝），夏比沖擊吸收能量平均值為7J。

圖4 不同工藝后試樣夏比沖擊性能

固溶處理使得組織中大部分粗大第二相逐步溶入基體中，但不會完全消失；淬火后形成不穩(wěn)定的過飽和固溶體。時效處理就是過飽和固溶體析出的過程，不同的時效溫度與時間，使得固溶體分解的程度不同，從而析出的相也不同。

7XXX系鋁合金時效析出過程為：α-Al過飽和固溶體→GP區(qū)→η"亞穩(wěn)相（MgZn2）→η平衡相（MgZn2）。GP區(qū)是首先分解的產(chǎn)物，與基體共格，球形。η"相為MgZn2的過渡相，與基體保持半共格關(guān)系，為圓片狀、片狀或針狀。η相為MgZn2的平衡相，與基體保持非共格，呈板條狀。

時效溫度較低時，主要析出相為GP區(qū)；時效溫度較高時，主要析出相為η"相。當(dāng)采用單級時效（150～200℃×10h）時，認(rèn)為組織中晶內(nèi)析出相主要為彌散的GP區(qū)與η"相及少量的η相，η"相逐漸增多，強化效果增強，強度與硬度也逐漸提高。因此B工藝材料的強度與硬度值增加。但此時晶界應(yīng)為連續(xù)鏈狀的析出物，具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性和較低的斷裂韌度。

當(dāng)采用雙級時效（C工藝）時，即低溫預(yù)時效與高溫時效，第一階段（100～150℃×8h）晶內(nèi)會形成大量細(xì)小彌散的GP區(qū)，這些析出相會優(yōu)先成核轉(zhuǎn)化成η"相。第二階段（150～200℃×10h），晶內(nèi)主要會形成GP區(qū)和η"相，晶界上主要會形成η相。合金經(jīng)雙級時效后，由于時間較長，析出相發(fā)生聚集與長大，此時主要強化相為η"相與η相。由于析出相長大傾向嚴(yán)重，尺寸較大，因此降低了材料的強度與硬度。

但基體沉淀相（MPt，GP區(qū)和η"相）尺寸細(xì)小，彌散度高，鋁合金強韌化效果好，抗腐蝕性能也提高。晶界上連續(xù)網(wǎng)狀的析出相再變形過程中會阻礙晶粒的相對運動，對材料的塑韌性不利。而晶界沉淀相（GBP，多為η相）呈現(xiàn)不連續(xù)分布，因而提高了材料的斷裂韌性與抗應(yīng)力腐蝕性能。因此C工藝試樣的沖擊韌度略有提升。實際生產(chǎn)中，應(yīng)合理選擇時效溫度與時間，以達(dá)到使用性能的良好匹配，充分發(fā)揮材料性能。

楔環(huán)在拆裝時，要將自身的彎曲半徑改變，承受較大的彎曲應(yīng)力與摩擦力；當(dāng)楔環(huán)裝入環(huán)內(nèi)外殼體較多時，環(huán)外殼體的內(nèi)壁會將彎曲半徑變大的楔環(huán)再約束回自身的彎曲半徑。因此，楔環(huán)材料應(yīng)具有良好的強度與韌性，能多次形變后復(fù)原且不會斷裂。同時，該楔環(huán)應(yīng)用于海洋環(huán)境中的某水下航行器連接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此綜合表現(xiàn)來看，C工藝為最適宜的加工工藝。

C工藝加工的楔環(huán)如圖5所示，經(jīng)拆裝多次試驗，滿足使用條件。

圖5 楔環(huán)加工實物

5 結(jié)束語

1）固溶＋單級時效處理（B工藝）可提高7075鋁合金的拉伸性能與硬度；而固溶+雙級時效處理（C工藝）則會降低材料的拉伸性能與硬度。

2）7075鋁合金加工楔環(huán)時，最佳熱處理工藝為（470±5）℃×1 h ＋（100～150）℃×8 h ＋（150～200）℃×10 h。

3）雙級時效后，7075鋁合金強度與硬度略有下降，但會提高材料斷裂韌度。