攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金螺旋管中的應(yīng)用

宿國(guó)友 ，余愛武 ，范正昌 ，鄔舟平 ，張春峰

（1．上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245；2.上海航天電能裝備有限公司，上海 200245）

0 前言

英國(guó)焊接研究所Nicholas認(rèn)為，攪拌摩擦焊（FSW）工藝是自激光焊接問世以來最引人矚目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生重大變革[1]。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)的持續(xù)研究，其在鋁合金等有色金屬連接中的優(yōu)勢(shì)明顯，主要有：焊接過程熱循環(huán)溫度低，接頭強(qiáng)度系數(shù)高，焊接應(yīng)力和變形小，不產(chǎn)生熔焊接頭缺陷，更適合全位置焊接；焊接過程中的鍛造行為使焊接接頭組織得到重結(jié)晶細(xì)化；焊前、焊后輔助工作減少，生產(chǎn)成本大幅度降低；焊接參數(shù)全部靠機(jī)床保證，焊接過程穩(wěn)定性強(qiáng)；無(wú)煙塵、無(wú)光輻射、無(wú)飛濺、無(wú)噪聲等有害環(huán)境。上述優(yōu)點(diǎn)使得攪拌摩擦焊在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)展，例如：在船舶和海洋工業(yè)中主要應(yīng)用于快艇、游船等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼等主要構(gòu)件；在航天領(lǐng)域主要用于運(yùn)載火箭燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)承力框架、載人密封艙等結(jié)構(gòu)；在航空工業(yè)中主要應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)壁板和地板連接、外掛燃料箱等產(chǎn)品[2-6]。

我國(guó)電力行業(yè)大量使用鋁合金結(jié)構(gòu)件，在應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)方面做了許多有益嘗試。先是在國(guó)外產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化過程中，由國(guó)內(nèi)加工廠家完成鋁合金散熱器等產(chǎn)品焊接，近兩年又采用攪拌摩擦焊工藝成功試制了鋁質(zhì)通電導(dǎo)體[7]。筒體是電力產(chǎn)品的重要構(gòu)件，一般工作時(shí)內(nèi)部充入一定壓力的SF6氣體，焊縫的強(qiáng)度和氣密性是保證筒體性能的關(guān)鍵。目前制造筒體的方法有3種：擠壓型材管，適用于小直徑筒體產(chǎn)品；縱縫+環(huán)縫焊接管（以下稱“縱縫管”），適用于大直徑筒體產(chǎn)品；螺旋形焊管（以下稱“螺旋管”），適用于大直徑筒體產(chǎn)品。制造大直徑筒體均采用焊接方法，分別是縱縫管和螺旋管兩種方案。兩者比較如下：①工作應(yīng)力?？v縫管承壓時(shí)，縱縫應(yīng)力是環(huán)縫的2倍，螺旋管焊縫的應(yīng)力介于縱縫和環(huán)縫之間，故螺旋管焊縫允許更高的工作壓力。②生產(chǎn)效率?？v縫管生產(chǎn)中，板材成型、縱縫裝夾焊接、校圓、環(huán)縫裝夾焊接等工序分別由不同工位完成，生產(chǎn)效率較低；螺旋管生產(chǎn)使用專用設(shè)備，板材成型、焊接同時(shí)進(jìn)行，且管材無(wú)需校圓，生產(chǎn)效率高。③生產(chǎn)設(shè)備?？v縫管生產(chǎn)所需設(shè)備均為通用設(shè)備，并需要根據(jù)筒體規(guī)格研制專用焊接夾具；螺旋管生產(chǎn)需要專用設(shè)備，無(wú)需額外焊接夾具。

綜上所述，螺旋管應(yīng)力水平低、生產(chǎn)效率高，適合制造大直徑筒體類產(chǎn)品。在此針對(duì)鋁合金螺旋管開展工藝試驗(yàn)和產(chǎn)品試制方面的研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

工藝試驗(yàn)采用10 mm厚度5083H112板材，材料化學(xué)成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用攪拌摩擦焊，螺旋管焊縫接頭形式為對(duì)接接頭，螺旋管成型直徑φ1 200 mm。本次試驗(yàn)采用10 mm規(guī)格鋁合金對(duì)接接頭，雙面焊接工藝，如圖1所示。

表1 5083材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 5083 metal %

圖1 試驗(yàn)接頭示意Fig.1 Schematic diagram of test joint

攪拌頭規(guī)格：軸肩直徑φ19 mm，攪拌針長(zhǎng)度5.5 mm，端部直徑φ5 mm，錐度16°，圓錐螺紋。試驗(yàn)工藝參數(shù)：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度900～1 200 r/min、焊接速度 400～600 mm/min，焊接傾角 2.5°，壓入量0.3～0.5 mm。焊后對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，并截取3 m長(zhǎng)螺旋管進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，試樣加工及測(cè)試按NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》要求執(zhí)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

不同焊接工藝參數(shù)下得到的焊縫的室溫抗拉強(qiáng)度和彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

攪拌摩擦焊技術(shù)的主要參數(shù)包括：攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、焊接傾角和壓入量，其中攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度是兩個(gè)重要參數(shù)，對(duì)攪拌摩擦焊接頭的質(zhì)量和性能影響顯著。

當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速偏低時(shí)，焊接熱循環(huán)峰值溫度低，材料流動(dòng)性不佳，材料轉(zhuǎn)移不充分或者轉(zhuǎn)移到攪拌頭后側(cè)的材料結(jié)合力差，因此獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度較低，塑性較差（折彎時(shí)出現(xiàn)裂紋）；攪拌頭轉(zhuǎn)速高，焊接熱循環(huán)峰值溫度高，材料流動(dòng)性好，材料轉(zhuǎn)移充分，焊接接頭抗拉強(qiáng)度高，塑性好。但轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致熱循環(huán)溫度過高，材料退火嚴(yán)重，降低焊接接頭機(jī)械性能。

焊接速度是影響焊縫熱量輸入的又一重要參數(shù)，是決定焊接接頭性能的重要因素。焊接速度高，焊接線能量低，焊接熱循環(huán)溫度低，材料流動(dòng)性差；焊接速度低，焊接線能量高，焊接熱循環(huán)溫度高，材料流動(dòng)性好。

攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度相互關(guān)聯(lián)，如配合不當(dāng)會(huì)造成接頭性能偏低，甚至出現(xiàn)隧道、犁溝等缺陷。

本次試驗(yàn)攪拌頭轉(zhuǎn)速1 100 r/min、焊接速度600 mm/min時(shí)所得接頭性能較好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到308 MPa，折彎測(cè)試未出現(xiàn)裂紋。拉伸及彎曲試樣如圖2所示。

圖2 拉伸及彎曲試樣Fig.2 Tensile and bending samples

螺旋管水壓試驗(yàn)。采用3MPa壓力，保壓5min后檢查所有密封部位，無(wú)泄漏、無(wú)可見變形，且試驗(yàn)過程中無(wú)異常響聲。

螺旋管密封試驗(yàn)。檢漏罐抽真空到200 MPa，充入0.48 MPa的氦氣，繼續(xù)將檢漏罐抽真空至1 MPa，然后打開檢漏閥進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏。結(jié)果顯示，漏率為1.51×10-5Pa·m3/s，計(jì)算年漏氣率小于等于 0.01%。

3 鋁質(zhì)螺旋管產(chǎn)品

螺旋管焊縫的焊接是連續(xù)過程，采用傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)無(wú)法滿足要求，因此螺旋管攪拌摩擦焊設(shè)備必須采用背部連續(xù)支撐方案。本項(xiàng)目中螺旋管成型焊接一體化設(shè)備采用內(nèi)外焊錯(cuò)位支撐焊接方案。

根據(jù)工藝方案，研制了攪拌摩擦焊螺旋管專用設(shè)備。設(shè)備集成螺旋管成型設(shè)備和攪拌摩擦焊機(jī)頭，成功地將攪拌摩擦焊工藝用于螺旋鋁管的加工。螺旋鋁管生產(chǎn)設(shè)備、螺旋鋁管實(shí)物和焊縫局部外觀分別如圖3～圖5所示。

圖3 螺旋鋁管生產(chǎn)設(shè)備Fig.3 Producing equipment of aluminium spiral tube

圖4 螺旋管實(shí)物Fig.4 Tpiral tube specimen

圖5 局部焊縫Fig.5 Local weld

4 結(jié)論

（1）采用10 mm厚度5083H112材料開展螺旋管攪拌摩擦焊工藝研究，采用自主研制的螺旋管專用設(shè)備，結(jié)合先進(jìn)的攪拌摩擦焊接技術(shù)，成功研制出鋁合金FSW焊接螺旋管。

（2）通過工藝試驗(yàn)，得到了最佳的焊接參數(shù)，螺旋管焊縫具有優(yōu)異的力學(xué)性能；且FSW焊螺旋管在3 MPa（保壓5 min）水壓試驗(yàn)下保持良好的承壓能力，且年漏氣率小于0.01%。

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