動支撐雙面FSW焊技術(shù)在大口徑鋁合金螺旋管上的應(yīng)用

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

0 前言

近年來，隨著國家對污染防治和環(huán)境保護力度的不斷加大，對傳統(tǒng)污染型能源的使用出臺了一系列制約措施和政策，電能作為綠色環(huán)保型能源正逐漸成為主要的社會需求和政策導(dǎo)向，而電力設(shè)施的配套建設(shè)必將帶來巨大的商業(yè)利益。鋁合金憑借其低密度、高導(dǎo)電率、高耐腐蝕性、高強度系數(shù)等優(yōu)點大量應(yīng)用于電力行業(yè)配套結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。大口徑鋁合金管體作為輸變電領(lǐng)域GIL/GIS母線的外殼體結(jié)構(gòu)件，主要作用是創(chuàng)造絕對封閉的剛性空間，有效避免內(nèi)部元器件受外部環(huán)境因素的干擾，避免內(nèi)部磁場及污染性絕緣氣體對外部環(huán)境產(chǎn)生影響，其絕對性的隔離防護作用對產(chǎn)品的密封性和使用壽命提出了很高的要求[1-2]。

目前擠壓成型技術(shù)只能生產(chǎn)直徑600 mm以下的管體，對于直徑600 mm以上的管體多采用低效的直縫加環(huán)縫拼接熔焊工藝或高效的螺旋管熔焊工藝，但熔焊工藝無法避免的冶金缺陷不僅制約著大口徑鋁合金螺旋管體批量化生產(chǎn)的降本增效，更影響產(chǎn)品在長期使用過程中的密封性和壽命[3-4]。

FSW作為一種新型固態(tài)焊接技術(shù)，憑借旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的400～500℃的低熱循環(huán)溫度使材料在塑化狀態(tài)下實現(xiàn)低應(yīng)力微變形的鍛造性焊接，充分避免了傳統(tǒng)熔焊工藝方法的多種冶金缺陷，尤其是焊接鋁合金產(chǎn)品，在有效保證焊縫強度系數(shù)和焊接穩(wěn)定性的情況下，極大提高了焊接效率和產(chǎn)品質(zhì)量，顯著降低了生產(chǎn)成本[5-6]。

本文將雙面動支撐FSW固態(tài)焊接技術(shù)和企業(yè)自主研發(fā)的大口徑鋁合金螺旋管成型設(shè)備有效集成，成功實現(xiàn)了直徑900mm、長度20m鋁合金FSW焊螺旋管的自動化生產(chǎn)，為大口徑鋁合金管體高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)提供了一條全新的途徑。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本試驗采用厚度為10 mm、寬度為1 250 mm的5754H111鋁合金卷料，材料化學成分如表1所示。

表1 5754-H111材料化學成分Table 1 Chemical composition of 5754-H111 metal%

1.2 實驗方法

采用螺旋成型及內(nèi)外雙面攪拌摩擦焊接方法，外加剛性動支撐，試制外徑φ900 mm、長度為20 m的螺旋管體。

設(shè)備為自主研制的螺旋管成型設(shè)備與攪拌摩擦焊內(nèi)外機頭有效集成，實現(xiàn)螺旋管成型和FSW焊接的同步進行；在外機頭待焊區(qū)設(shè)置剛性動支撐，既滿足FSW焊工藝對焊縫錯邊量的要求，又可沿螺旋管徑向移動來有效調(diào)節(jié)螺旋管直徑，如圖1所示。

圖1 試驗接頭示意Fig.1 Schematic diagram of test joint

內(nèi)外FSW焊采用相同規(guī)格的攪拌頭，軸肩直徑20 mm，針根直徑7 mm，針長5 mm，攪拌針為帶螺紋的錐形結(jié)構(gòu)，焊接傾角均為2.5°，焊接狀態(tài)為兩針端部外圓相切。焊接工藝參數(shù)如表2所示。成型焊接后對管體全焊縫進行了著色探傷、超聲波探傷及局部焊縫X射線探傷檢測，并測量焊縫減薄量及管體圓度。

表2 FSW焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters of FSW

2 實驗結(jié)果與分析

FSW焊螺旋管內(nèi)外焊縫整體及局部形貌分別如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，螺旋管FSW焊僅有一條螺旋狀焊縫，焊縫長度隨螺旋管長度的增加而增加，焊縫表面光滑，且低于母材。因成型焊接過程開始時，內(nèi)外焊攪拌針高速旋轉(zhuǎn)緩慢插入成型對接面，保持軸肩后沿壓入0.2～0.5 mm，隨后遞送機帶動板料端向前推進，將板料不斷送入螺旋成型機組，使螺旋管不斷成型并同步向前推送，且已成型的螺旋管對接面在高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)外攪拌工具作用下實現(xiàn)焊接，形成的焊縫也隨管體同步向前推進。隨著遞送和成型焊接的持續(xù)進行，形成了螺旋管體，由于焊接過程攪拌針后沿需壓入母材0.3～0.5mm，故出現(xiàn)內(nèi)外螺旋焊縫均低于母線的現(xiàn)象。

圖2 螺旋管整體及局部外觀形貌Fig.2 Outer surface and local appearance of external weld of spiral tube

對全焊縫進行著色探傷、超聲波探傷及局部焊縫X射線探傷（見圖4）三項焊縫檢測，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷；測量焊縫減薄量及管體圓度，焊縫減薄量應(yīng)嚴格控制在0.3～0.5 mm，管體圓度0.15～2 mm。FSW焊焊接溫度一般在400～550℃，遠低于熔焊熱輸入溫度，故焊接過程不會出現(xiàn)熔焊裂紋、氣孔和雜質(zhì)等冶金缺陷；同時，焊縫組織在攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)作用下得到重結(jié)晶細化，且焊接過程攪拌頭設(shè)置的傾角保持軸肩后沿壓入材料，使焊縫在頂鍛力的作用下成型，讓焊縫組織更加致密[7-9]。

由于螺旋管的成型過程靠程序驅(qū)動設(shè)備連續(xù)向前推進，自動保證管徑及直線度始終一致；采用的FSW焊又為固態(tài)焊接方式，焊接過程中材料未熔化，僅達到塑化狀態(tài)，焊接溫度400～550℃，明顯低于熔焊過程中的熱輸入量，可極大地避免焊件產(chǎn)生應(yīng)力和變形量；本實驗采用動支撐加雙面焊，內(nèi)外攪拌頭互為彼此的剛性支撐，結(jié)合攪拌頭的頂鍛作用，有效避免產(chǎn)生焊縫錯邊現(xiàn)象，以上措施共同保證了螺旋管FSW焊管的焊縫質(zhì)量和尺寸精度。

3 結(jié)論

圖3 螺旋管內(nèi)整體和焊縫局部外觀形貌Fig.3 Inner surface and local appearance of Inner weld of spiral tube

圖4 螺旋管焊縫著色及焊縫局部X射線探傷照片F(xiàn)ig.4 Coloring inspection of total welds and X-ray inspection of local welds

（1）首次將動支撐雙面攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于大口徑鋁合金螺旋管的焊接生產(chǎn)，一次性連續(xù)生產(chǎn)出直徑900 mm、長度20 m的螺旋樣管，且焊接過程穩(wěn)定可靠。

（2）對螺旋樣管全焊縫進行了著色探傷、超聲波探傷及X射線探傷檢測，并測量焊縫減薄量及管體圓度，結(jié)果表明：管體全焊縫三項探傷檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫減薄量嚴格控制在0.3～0.5 mm，管體圓度0.15～2 mm。

（3）采用大口徑鋁合金螺攪拌摩擦焊技術(shù)可有效避免傳統(tǒng)熔焊工藝引起的冶金缺陷，有效保證了焊縫質(zhì)量和尺寸精度。