鋁合金筒體FSW和MIG焊接變形控制研究

田國平，張 松，梁志方，高艷芳，陳志遠，高嘉爽

1.上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245 2.山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012

0 前言

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

本研究中鋁合金筒段（5A06 H112，內徑Φ2 110×12+40mm）任務需批量生產，且筒段本體縱、環(huán)縫需滿足GJB2698二級射線合格要求，附件焊縫滿足GJB2698外觀合格。采用FSW焊可解決熔焊焊縫易產生氣孔缺陷、接頭強度低等工藝難點；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焊接成型特點為：直徑大、壁厚薄、結構復雜、焊接變形大，筒體焊后變形不規(guī)律，導致筒體按設計要求由焊前理論內徑Φ2 102 mm加工至設計要求內徑Φ2 110 mm后壁厚偏薄或者偏厚，對構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。相關研究表明，通過優(yōu)化攪拌頭轉速、焊接速度等工藝參數可提升鋁合金焊縫一次合格率和接頭強度[4]，但目前還未發(fā)現通過優(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，確保產品焊接變形規(guī)律可控，最終產品質量滿足要求。

1 產品結構特點

筒體本體及附件材料均為5A06 H112，筒體最終尺寸：長度3 m、內徑Φ2 110 mm、壁厚mm。本體由兩端法蘭、中間筒體以及加強座體組成，包括一條縱縫、兩圈法蘭環(huán)縫及加強座體環(huán)縫，采用FSW焊接。筒體外表面分布著62種零組件，共計230個零件，包括1個厚度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全焊透的導向板、口座及加強座體以及大量角焊縫連接的附件，其結構如圖1所示，采用MIG焊接。

圖1 筒體附件零件結構示意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產品的最終精度，技術指標為滾彎后內徑圓度控制在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焊焊接前筒體內壁采用內撐工裝對筒體進行支撐防止附件焊接后內凹變形，焊后內撐工裝隨筒體進行去應力退火，工裝示意如圖3所示。該內撐工裝周向可調，具有鎖緊功能[5]。

圖3 附件焊接內撐工裝示意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、長度3 m，焊前利用內撐工裝固定保證錯邊小于1 mm，采用重載五軸攪拌摩擦焊設備雙面對稱等焊接，定位攪拌頭預焊5 mm（轉接轉速600 r/min，焊接速度300 mm/min），每側正式焊接厚度10.5 mm（轉接轉速600 r/min，焊接速度150 mm/min），焊接順序為“先焊內焊再焊外焊，由中間向兩端焊”（內焊指攪拌針從筒體內側焊接，外焊指攪拌針從筒體外側焊接，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凹8～10 mm。

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

法蘭筒體對接環(huán)焊縫厚度20 mm，焊前利用支撐工裝固定保證錯邊小于1 mm，采用雙面焊接。焊接順序為“先焊內焊再焊外焊，由中間向兩端焊”。內焊時采用環(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：焊接轉速600 r/min，焊接速度220 mm/min）。外焊時采用內撐工裝裝夾，焊接位置靠近機床臺面，見圖5b，焊接深度控制在13～14 mm（FSW參數：焊接轉速600 r/min，焊接速度150 mm/min）。焊后環(huán)縫位置內凹4～7 mm。

圖5 FSW內焊、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邊小于0.5 mm，采用雙面焊接，內焊、外焊均采用重載五軸攪拌摩擦焊設備，焊接順序、FSW焊接參數及工裝剛性支撐與環(huán)縫相同，結構如圖6所示。

圖6 FSW加強座體焊接Fig.6 FSW reinforced seat welding

由上述可知，縱焊縫和環(huán)焊縫焊后筒體內凹單邊達到5 mm，特別是縱焊縫局部區(qū)域單邊內凹達到8～10 mm；加強座體環(huán)焊縫側單邊內凹達到5～8 mm，而筒體本身焊接加工余量單邊只有4 mm，遠不滿足產品設計文件中對通過去除機加工余量剩余壁厚不小于12 mm要求。

分析其原因：FSW焊接時采用環(huán)縫內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。通過調節(jié)弧形板背部螺栓將弧形板與筒內壁及端框的貼胎度控制在0.5 mm以下，使對接環(huán)向焊縫錯位≤1 mm。由于其焊接特性，工裝在防變形時無法采用焊接反變形、雙面同時對稱焊等傳統(tǒng)控制焊接變形的手段，環(huán)縫焊接時由于兩側焊接厚度的不對稱性，且最后焊接外側13 mm厚度焊縫，導致焊后殘余應力分布不均勻[6]。FSW焊接時，前進側的溫度高于返回側，導致焊接區(qū)溫度場分布呈中央高、四周低的現象，又因熱脹冷縮會出現非均勻應變場，從而在焊縫附件產生殘余拉應力，遠離焊縫處出現殘余壓應力，在沿厚度方向不均勻分布的殘余應力的綜合作用下[7]，在加上最后一道外焊焊縫高達約30 kN的軸肩下壓力綜合作用下，筒體在焊后產生較大的內凹變形。

2.2 MIG焊焊后變形分析

5A06口座（見圖6）周圍筒體FSW環(huán)縫焊后存在內凹，由于加強座體強度高一般僅可將筒體內徑撐至Φ2 100 mm左右，口座與筒體坡口焊縫手工MIG焊時（ER5356Φ1.6 mm，電流：180～220 A）利用工裝將內凹區(qū)域向外撐，但隨后利用在加強座體外側焊接厚度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、導熱系數約為鋼的2倍，凝固時的體積收縮率約為6.5%，由于口座、加強筋均為全焊透焊縫，焊接填充量大、熱輸入量大，焊后內凹收縮變形較大[8]。整體焊接完畢后進行高溫去應力熱處理（240～260℃×6 h），熱處理后殘余內凹變形單邊最大仍達到8 mm。

3 工藝優(yōu)化

3.1 焊接工藝優(yōu)化

（1）開展縱縫、加強座體環(huán)縫焊接工藝優(yōu)化。針對焊后局部內凹較大等現象，焊接順序由原來“先焊內焊縫再焊外焊縫”調整為“先焊外焊縫再焊內焊縫”，雙面焊接深度均調整至10.5 mm；同時優(yōu)化焊接工裝圓弧板結構，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，定位焊接可以進一步提升裝配質量，保證錯邊量≤0.5 mm。將非對稱厚度焊接改為完全對稱厚度雙面焊接可以減小由于內外焊深度不同所導致的焊接變形差別過大；通過調整焊接順序，最后一道采用內焊可以利用軸肩巨大的下壓力對由于外焊焊縫焊導致的塑性變形進行矯形，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。

（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。焊接時采用環(huán)縫內撐工裝裝夾，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。調節(jié)弧形板背部螺栓來控制弧形板與筒內壁及端框的貼胎度，將貼胎度控制在0.5 mm以下，以滿足對接環(huán)向焊縫錯位≤1 mm的技術要求。通過單面焊工藝及工裝改進，改進后FSW焊接參數為：轉速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凹不大于2 mm即圓度控制在4 mm以內。

（3）縱環(huán)縫及加強座體環(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。利用內撐工裝對局部變形較大處進行撐圓矯形，使內徑基本達到Φ2 100～2 104 mm后進爐進行去應力退火，250～270℃保溫6 h，退火后圓度不超過4 mm。

（4）MIG焊前裝配內撐工裝時，對前期精加工后壁厚偏薄區(qū)域進行統(tǒng)計，壁厚偏薄區(qū)域基本分布在加強座體、吊耳、密集安裝座周圍區(qū)域母材。針對焊接變形規(guī)律制定內撐工裝布置圖，對焊接變形大的區(qū)域每檔增設一檔內撐工裝，優(yōu)先對FSW焊變形處進行撐圓，達到矯形目的；優(yōu)化焊接順序，避免集中焊接導致焊接變形大[9]。

（5）優(yōu)化筒體內壁精加工流程：首先利用立車加工筒體內壁，對筒體的圓度及機加工后理論壁厚數據綜合分析后，對壁厚不滿足設計要求的區(qū)域，通過調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，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）針對筒體變形后，圓弧長度測量困難導致附件定位安裝困難等情況，采用機加工在筒體外表面刻安裝位置線的同時進一步細化刻線要求，同時在零件上刻相應十字定位中心線，安裝時直接對十字線，實現快速準確定位[10]。

（2）針對前期焊接后由于變形的不協(xié)調性導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）針對內撐工裝安裝及拆除情況，引進電動扳手、氣動風炮機，其中大功率電動扳手用于安裝頂緊螺栓，風炮機用于拆除螺栓，能夠大幅度降低勞動強度、提升工作效率。

通過以上一系列工藝改進，每個筒體附件裝焊制造效率提升20%以上。

4 結論

（1）通過改變FSW焊接順序，先焊接外焊縫再焊接內焊縫，雙面焊焊縫厚度均調整至10.5 mm，利用最后一道內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，改善筒體焊后內凹變形嚴重，圓度控制在5 mm以內。

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

（3）通過優(yōu)化熔焊前內撐工裝的布置及裝配工序，可有效控制大量附件MIG焊所導致的筒體內凹，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，以及引進電動扳手及氣動風炮機等措施，可以使整體裝焊效率提升20%以上。