铝合金筒体FSW和MIG焊接变形控制研究

铝合金筒体FSW和MIG焊接变形控制研究 Deformation Control of FSW and MIG Welding of Aluminum Alloy Shell 1 first-author 田国平（1986—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接技术研究与应用等工作。E-mail：skyzhangsong@163.com。 田国平（1986—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接技术研究与应用等工作。E-mail：skyzhangsong@163.com。 skyzhangsong@163.com 1 2 1 1 1 上海航天设备制造总厂有限公司,上海 200245 上海航天设备制造总厂有限公司,上海 200245 Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245, China Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245, China 山西航天清华装备有限责任公司,山西 长治 046012 山西航天清华装备有限责任公司,山西 长治 046012 Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012, China Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012, China 采用搅拌摩擦焊（FSW）和熔化极惰性气体保护焊（MIG）相结合的方法焊接制造的铝合金筒体（5A06 H112，内径 Φ 2 110 <math id="M1"><msubsup><mrow/><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.1</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.3</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182512&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182507&type= 3.38666677 2.45533323 ×12 <math id="M2"><msubsup><mrow/><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182520&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182516&type= 2.03200006 2.53999996 mm），由20 mm厚壁板通过辊弯至内径 Φ 2 102 mm、筒体本体FSW拼焊、筒体大量附件MIG焊接后筒体内径变形大变形不规律，导致筒体焊后去除焊接余量内径精加工至内径 Φ 2 110 mm后筒体剩余壁厚不满足设计规定的12 <math id="M3"><msubsup><mrow/><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182531&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182526&type= 2.03200006 2.53999996 mm，而筒体精加工后壁厚过大将使其超重不满足系统对质量的要求，壁厚小于12 mm无法满足结构强度要求，壁厚的控制对整个系统的安全至关重要。对FSW焊后变形规律进行分析，通过调整单侧焊接厚度、改变焊接顺序、优化工装方案等措施可将焊后单侧内凹变形从最大10 mm降至2 mm以内；对附件MIG焊后变形规律进行分析，通过优化装焊顺序、优化工装方案及精加工工艺方案等措施，最终使筒体机加工后壁厚合格率由原来的23%提高至100%。 The aluminum alloy shell (5A06 H112, inner diameter Φ 2 110 <math id="M4"><msubsup><mrow/><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.1</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.3</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182540&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182534&type= 3.38666677 2.45533323 ×12 <math id="M5"><msubsup><mrow/><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182547&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182543&type= 2.03200006 2.45533323 mm) is welded by the combination of friction stir welding (FSW) and consumable inert gas welding (MIG), which was rolled bending from 20 mm thick wall plate to inner diameter Φ 2 102 mm, FSW butt welding of barrel body and MIG welding of a large number of accessories of the shell. But the inner diameter is deformed greatly and the deformation is irregular. Which caused the residual wall thickness can't meeting the design requirements of 12 mm after finish machining to inner diameter of Φ 2 110 mm. It can’t meet the structural strength requirements if the thickness is too large or less than 12 mm. The control of wall thickness is very important to the safety of the whole system. Therefore, by analyzing the deformation law of FSW after welding, adjusting the welding thickness of one side, changing the welding sequence and optimizing the chemical assembly scheme can reduce the concave deformation of one side after welding from the maximum 10 mm to less than 2 mm; by analyzing the deformation law of accessories after MIG welding, optimizing the assembly and welding sequence, chemical assembly scheme and finishing process scheme, the qualified rate of wall thickness after barrel machining is increased from 23% to 100%. 5A06筒体 装焊顺序 FSW MIG 焊接变形 5A06 shell welding sequence FSW MIG welding deformation 前言 1 5A06铝合金属于Al-Mg系防锈铝，具有较好的耐蚀性、强度以及焊接性能，广泛应用于机械、电力、化工、轻工、航天、航空等领域的焊接结构产品上，例如飞机、飞船、火箭、导弹等等，是航空、航天产品不可或缺的重要材料。铝合金产品的关键受压焊缝采用传统焊接方式存在易产生气孔、焊缝变形大难控制、焊接接头强度低等问题 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型焊接技术，克服了传统焊接易出现气孔、裂纹、变形等缺陷，在铝合金产品焊接上得到了广泛应用 ［ 3 3 ］ 。 本研究中铝合金筒段（5A06 H112，内径 Φ 2 110 ×12 <math id="M6"><msubsup><mrow/><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182553&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182550&type= 2.28600001 2.96333337 mm）任务需批量生产，且筒段本体纵、环缝需满足GJB2698二级射线合格要求，附件焊缝满足GJB2698外观合格。采用FSW焊可解决熔焊焊缝易产生气孔缺陷、接头强度低等工艺难点；采用MIG焊焊接筒段上附件可显著缩短制造周期。但该典型筒类铝合金装焊件利用FSW+MIG焊接成型特点为：直径大、壁厚薄、结构复杂、焊接变形大，筒体焊后变形不规律，导致筒体按设计要求由焊前理论内径 Φ 2 102 mm加工至设计要求内径 Φ 2 110 mm后壁厚偏薄或者偏厚，对构件的使用性能影响很大，这一问题一直未能得到很好的解决。相关研究表明，通过优化搅拌头转速、焊接速度等工艺参数可提升铝合金焊缝一次合格率和接头强度 ［ 4 4 ］ ，但目前还未发现通过优化FSW、MIG焊接工艺来控制铝合金筒体焊接变形的研究。本文主要通过研究FSW、MIG筒体焊接变形规律，确立合适的焊接变形控制措施及焊接余量分配原则，确保产品焊接变形规律可控，最终产品质量满足要求。 产品结构特点 1 筒体本体及附件材料均为5A06 H112，筒体最终尺寸：长度3 m、内径 Φ 2 110 mm、壁厚12 <math id="M7"><msubsup><mrow/><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182557&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=33182554&type= 2.28600001 2.96333337 mm。本体由两端法兰、中间筒体以及加强座体组成，包括一条纵缝、两圈法兰环缝及加强座体环缝，采用FSW焊接。筒体外表面分布着62种零组件，共计230个零件，包括1个厚度40 mm全焊透的前吊耳、2组整圈分布厚度20 mm全焊透的环筋、2组厚度15 mm全焊透的导向板、口座及加强座体以及大量角焊缝连接的附件，其结构如 图1 图1 所示，采用MIG焊接。 中间筒体由一块壁板（5A06 H112，20 mm）整体滚弯，筒体滚弯后的圆度决定了整个产品的最终精度，技术指标为滚弯后内径圆度控制在2 mm，即 Φ 2 102~2 104 mm，单边焊接余量20-12-（2 110-2 102）/2=4 mm。筒体生产流程如 图2 图2 所示。 MIG焊焊接前筒体内壁采用内撑工装对筒体进行支撑防止附件焊接后内凹变形，焊后内撑工装随筒体进行去应力退火，工装示意如 图3 图3 所示。该内撑工装周向可调，具有锁紧功能 ［ 5 5 ］ 。 焊接变形 1 FSW 焊焊后变形分析 2 筒体纵焊缝厚度20 mm、长度3 m，焊前利用内撑工装固定保证错边小于1 mm，采用重载五轴搅拌摩擦焊设备双面对称等焊接，定位搅拌头预焊5 mm（转接转速600 r/min，焊接速度300 mm/min），每侧正式焊接厚度10.5 mm（转接转速600 r/min，焊接速度150 mm/min），焊接顺序为“先焊内焊再焊外焊，由中间向两端焊”（内焊指搅拌针从筒体内侧焊接，外焊指搅拌针从筒体外侧焊接，下同）。装配过程中，通过工装压板上两排螺栓来保证装配精度以及背部型面的贴合，如 图4 图4 所示。焊后筒体纵缝位置及其附近向内凹8~10 mm。 法兰筒体对接环焊缝厚度20 mm，焊前利用支撑工装固定保证错边小于1 mm，采用双面焊接。焊接顺序为“先焊内焊再焊外焊，由中间向两端焊”。内焊时采用环缝外撑工装装夹，工装上端4块弧形板径向可伸缩，弧形板外圈通过螺栓来紧固，通过该装夹方式来提供焊缝背部支撑，见 图5 图5 a，焊接深度控制在6~7 mm（FSW参数：焊接转速600 r/min，焊接速度220 mm/min）。外焊时采用内撑工装装夹，焊接位置靠近机床台面，见 图5 图5 b，焊接深度控制在13~14 mm（FSW参数：焊接转速600 r/min，焊接速度150 mm/min）。焊后环缝位置内凹4~7 mm。 （a）内焊 （b）外焊 筒体开口区域的口座（ 图6 图6 红色零件）与筒段本体环焊缝厚度20 mm，焊前利用支撑工装固定保证错边小于0.5 mm，采用双面焊接，内焊、外焊均采用重载五轴搅拌摩擦焊设备，焊接顺序、FSW焊接参数及工装刚性支撑与环缝相同，结构如 图6 图6 所示。 由上述可知，纵焊缝和环焊缝焊后筒体内凹单边达到5 mm，特别是纵焊缝局部区域单边内凹达到8~10 mm；加强座体环焊缝侧单边内凹达到5~8 mm，而筒体本身焊接加工余量单边只有4 mm，远不满足产品设计文件中对通过去除机加工余量剩余壁厚不小于12 mm要求。 分析其原因：FSW焊接时采用环缝内撑或者外撑工装装夹，工装上端弧形板径向可伸缩，通过这种装夹方式来提供焊缝背部钢性支撑。通过调节弧形板背部螺栓将弧形板与筒内壁及端框的贴胎度控制在0.5 mm以下，使对接环向焊缝错位≤1 mm。由于其焊接特性，工装在防变形时无法采用焊接反变形、双面同时对称焊等传统控制焊接变形的手段，环缝焊接时由于两侧焊接厚度的不对称性，且最后焊接外侧13 mm厚度焊缝，导致焊后残余应力分布不均匀 ［ 6 6 ］ 。FSW焊接时，前进侧的温度高于返回侧，导致焊接区温度场分布呈中央高、四周低的现象，又因热胀冷缩会出现非均匀应变场，从而在焊缝附件产生残余拉应力，远离焊缝处出现残余压应力，在沿厚度方向不均匀分布的残余应力的综合作用下 ［ 7 7 ］ ，在加上最后一道外焊焊缝高达约30 kN的轴肩下压力综合作用下，筒体在焊后产生较大的内凹变形。 MIG 焊焊后变形分析 2 5A06口座（见 图6 图6 ）周围筒体FSW环缝焊后存在内凹，由于加强座体强度高一般仅可将筒体内径撑至 Φ 2 100 mm左右，口座与筒体坡口焊缝手工MIG焊时（ER5356 Φ 1.6 mm，电流：180~220 A）利用工装将内凹区域向外撑，但随后利用在加强座体外侧焊接厚度40 mm全焊透口座以及沿筒体周向厚度20 mm的5A06加强筋，与筒体焊缝均开坡口全焊透。5A06铝合金材料的线膨胀系数、导热系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率约为6.5%，由于口座、加强筋均为全焊透焊缝，焊接填充量大、热输入量大，焊后内凹收缩变形较大 ［ 8 8 ］ 。整体焊接完毕后进行高温去应力热处理（240~260 ℃×6 h），热处理后残余内凹变形单边最大仍达到8 mm。 工艺优化 1 焊接工艺优化 2 （1）开展纵缝、加强座体环缝焊接工艺优化。针对焊后局部内凹较大等现象，焊接顺序由原来“先焊内焊缝再焊外焊缝”调整为“先焊外焊缝再焊内焊缝”，双面焊接深度均调整至10.5 mm；同时优化焊接工装圆弧板结构，通过工装压板上两排螺栓来保证装配精度以及背部型面的贴合，焊接过程分为定位焊及正式焊，定位焊接可以进一步提升装配质量，保证错边量≤0.5 mm。将非对称厚度焊接改为完全对称厚度双面焊接可以减小由于内外焊深度不同所导致的焊接变形差别过大；通过调整焊接顺序，最后一道采用内焊可以利用轴肩巨大的下压力对由于外焊焊缝焊导致的塑性变形进行矫形，故通过工艺优化后筒体本体拼焊后圆度基本上控制在5 mm以内。 （2）开展环缝FSW单面20 mm外焊工艺研究，焊接位置位于筒体底部，见 图5 图5 。焊接时采用环缝内撑工装装夹，工装上端弧形板径向可伸缩，通过这种装夹方式来提供焊缝背部钢性支撑。调节弧形板背部螺栓来控制弧形板与筒内壁及端框的贴胎度，将贴胎度控制在0.5 mm以下，以满足对接环向焊缝错位≤1 mm的技术要求。通过单面焊工艺及工装改进，改进后FSW焊接参数为：转速300 r/min，焊接速度80 mm/min。环缝焊后支撑工装不拆除，通过工装保证筒体内凹不大于2 mm即圆度控制在4 mm以内。 （3）纵环缝及加强座体环缝FSW焊接完毕后筒体附件装配前，增加一道热处理矫形工序。利用内撑工装对局部变形较大处进行撑圆矫形，使内径基本达到 Φ 2 100~2 104 mm后进炉进行去应力退火，250~270 ℃保温6 h，退火后圆度不超过4 mm。 （4）MIG焊前装配内撑工装时，对前期精加工后壁厚偏薄区域进行统计，壁厚偏薄区域基本分布在加强座体、吊耳、密集安装座周围区域母材。针对焊接变形规律制定内撑工装布置图，对焊接变形大的区域每档增设一档内撑工装，优先对FSW焊变形处进行撑圆，达到矫形目的；优化焊接顺序，避免集中焊接导致焊接变形大 ［ 9 9 ］ 。 （5）优化筒体内壁精加工流程：首先利用立车加工筒体内壁，对筒体的圆度及机加工后理论壁厚数据综合分析后，对壁厚不满足设计要求的区域，通过调整端框面使筒体中心稍微偏移，可将较薄区域母材增厚1 mm左右。 通过以上一系列工艺改进，筒体精加工后壁厚合格率由前期的23%提高至100%。 装配工艺优化 2 （1）针对筒体变形后，圆弧长度测量困难导致附件定位安装困难等情况，采用机加工在筒体外表面刻安装位置线的同时进一步细化刻线要求，同时在零件上刻相应十字定位中心线，安装时直接对十字线，实现快速准确定位 ［ 10 10 ］ 。 （2）针对前期焊接后由于变形的不协调性导致的工装拆除困难问题，利用工装定位功能，定位后利用临时工装制作定位工装，定位后移出原工装，装拆工装效率大幅提升。 （3）针对内撑工装安装及拆除情况，引进电动扳手、气动风炮机，其中大功率电动扳手用于安装顶紧螺栓，风炮机用于拆除螺栓，能够大幅度降低劳动强度、提升工作效率。 通过以上一系列工艺改进，每个筒体附件装焊制造效率提升20%以上。 结论 1 （1）通过改变FSW焊接顺序，先焊接外焊缝再焊接内焊缝，双面焊焊缝厚度均调整至10.5 mm，利用最后一道内焊焊缝轴肩压力及焊接变形可有效抵消外焊焊缝的部分变形，改善筒体焊后内凹变形严重，圆度控制在5 mm以内。 （2）改变FSW焊后热处理矫形工艺，可对筒体圆度通过热处理进行矫形，圆度控制在4 mm以内。 （3）通过优化熔焊前内撑工装的布置及装配工序，可有效控制大量附件MIG焊所导致的筒体内凹，从而保证筒体精加工后壁厚，壁厚合格率由前期的23%提高至100%。 （4）通过固化工艺余量、合理利用装配工装，以及引进电动扳手及气动风炮机等措施，可以使整体装焊效率提升20%以上。 参考文献 路全彬 ， 龙伟民 ， 钟素娟 ， 等 . 铝合金焊接材料制备研究现状与发展 ［J］． 焊接 ， 2016 （ 2 ）： 6 - 9 . 铝合金焊接材料制备研究现状与发展 LU Quanbin 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