鋁合金螺旋管FSW焊與縱縫管熔焊組織及力學性能對比

余愛武 ，宿國友 ，張春峰 ，石 磊 ，趙維剛 ，范正昌 ，鄔舟平

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

0 前言

近年來，城市化建設步伐的推進引起區域電網負荷不斷增長，加上人們日益關注傳統架空線路輸電方式對城市輸電走廊的緊張及電磁環境安全問題，尤其是在人口密集的大城市，采用架空線路的輸電方式面臨著越來越多的困難[1]，而采用地下電網輸送方式將成為未來輸變電行業的主要趨勢。

作為電網線路輸送的大口徑鋁合金管材結構件，GIL母線殼體的社會需求量不斷增長[2]。但國內關于大口徑鋁合金管的研究起步較晚，產品直徑大、尺寸精度和表面質量要求高等原因導致生產難度大，長期依賴進口[3-4]。近年來，雖然國內部分生產廠家試圖通過鋁合金板卷彎成型后采用直縫加縱縫（以下簡稱“縱縫”）的熔焊工藝方式生產大口徑管體，但該工藝的生產工序過于復雜、成本投入大、生產效率低，且熔焊縱縫管的焊縫缺陷率高，承壓能力及密封性不足等問題，難以滿足大規模的市場需求[5]。

隨著裝備制造技術的發展和自動化程度的提高，螺旋成型技術越來越成熟，使大口徑鋁合金管材螺旋攪拌摩擦焊接成為可能[6-7]。本研究采用上海航天設備制造總廠自主研制的國內首臺大口徑螺旋管攪拌摩擦焊設備進行大口徑鋁合金管材結構件焊接，并通過與熔焊縱縫管技術對比，充分體現螺旋管攪拌摩擦焊技術在大口徑管體的生產效率、尺寸精度、焊縫質量、密封性能、承壓能力及降低成本等方面的優勢，該技術將促進大口徑鋁合金管的國產化生產和應用，產生良好的社會效益和經濟效益。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為10 mm厚5083H112，螺旋管FSW焊采用鋁卷，縱縫管熔焊采用鋁板。材料化學成分如表1所示。

表1 5083材料化學成分Table 1 Chemicalcomposition of 5083 metal %

1.2 實驗方法

分別采用螺旋管FSW焊和縱縫管TIG焊各試制一件外徑φ900 mm、長度6 000 mm的管體。螺旋管FSW焊將自主研制的螺旋管成型設備與攪拌摩擦焊內外機頭有效集成，實現螺旋管成型和FSW焊接的同步進行。內外FSW焊采用同規格攪拌頭，軸肩直徑20 mm，針長6 mm，攪拌針為帶螺紋的錐形結構。

熔焊縱縫管的制作需經過板料端部加工、板材卷彎成型、縱縫裝夾、清洗焊接、管體校圓、環縫裝夾、清洗焊接等工序，各工序分別由不同工位完成，且均采用通用設備和專用焊接夾具。螺旋管FSW焊接及縱縫管熔焊參數如表2所示。

表2 焊接參數Table 2 Welding parameters

記錄兩種工藝方法的制作工時；測量管體的外形尺寸；觀察焊縫組織及測試焊縫抗拉強度；對管體進行3 MPa、保壓10 min的水壓試驗，檢查密封部位是否存在泄漏、可見變形及水壓試驗過程中有無異常響聲；對管體進行He檢漏試驗，檢漏過程為：先將檢漏罐抽真空到200 Pa，然后充入0.48 MPa的He氣，再將檢漏罐真空度繼續抽至1 Pa，最后打開檢漏閥，進行氦質譜檢漏。

2 試驗結果與分析

2.1 管體外觀

FSW焊螺旋管整體形貌及螺旋管FSW焊和縱縫管熔焊焊縫局部形貌如圖1、圖2所示。螺旋管FSW焊僅有一條螺旋狀焊縫，總長度12 m；熔焊縱縫管焊縫為直縫加環縫的丁字形結構，總長度9 m。

2.2 管體尺寸精度

長度6 000 mm、外徑900 mm的 FSW焊螺旋管和熔焊縱縫管的制作工時及外形平均尺寸公差如表3所示。

圖1 FSW焊螺旋管整體形貌Fig.1 Appearance of spiral tube of FSW welding

圖2 螺旋管FSW焊及縱縫管熔焊管體的焊縫形貌Fig.2 Weld morphology of spiral tube and longitudinal seam welded pipe

表3 FSW焊螺旋管及熔焊縱縫管制作工時及管體尺寸Table 3 Production time and dimension tolerance of spiral tube and longitudinal seam welded pipe by FSW

由表3可知，生產相同規格的FSW焊螺旋管所需時間明顯短于熔焊縱縫管，這是因為螺旋管FSW焊采用管體成型和焊接集于一體的專用設備，結合內外連續動支撐結構，使螺旋管成型與FSW焊接可在同一工位同步進行，螺旋管長度隨著成型和焊接的持續進行而不斷增加。縱縫管熔焊過程需要依次經過板材落料、板材成型、縱縫裝夾、清洗焊接、校圓、環縫裝夾、清洗焊接等工序，分別由不同工位完成，且縱縫管長度的增加需要不斷增加短管環焊拼接，故生產效率明顯不及螺旋管FSW焊。

FSW焊螺旋管精度高的原因：由于螺旋管的成型過程靠程序驅動設備連續向前推進，使得螺旋管的軸向對稱性良好，且保證了管徑及直線度始終一致；FSW焊為固態焊接方式，焊接過程中材料未熔化，僅達到塑化狀態，焊接溫度為400～550℃，明顯低于熔焊過程中的熱輸入量[8-10]，可極大地避免焊件產生應力和變形量；在攪拌頭和背部支撐的同時作用下，有效避免了焊縫錯邊現象的產生。上述因素共同保證了螺旋管FSW焊管的尺寸精度。

縱縫管尺寸精度低的原因：熔焊過程中的高熱輸入量和熱循環溫度勢必引起焊縫局部區域的應力變形；焊縫區域的變形與周邊母材產生的局部臺階過渡區在管體校圓過程中很難被完全消除，從而降低管體的圓度和直線度；環縫熔焊又將帶來一定的應力變形，且隨著縱縫管長度的增加，直縫和環縫數量越多，管體局部變形區域越多，管體的精度就越低。由此可見，FSW焊螺旋管比熔焊縱縫管的尺寸精度更高。

2.3 焊縫的金相組織

焊縫的金相組織如圖3所示。圖3a、3c為螺旋管FSW焊焊縫的宏觀和微觀組織。可以看出，焊縫宏觀呈固有的“洋蔥環”形貌，焊縫減薄量為0.6 mm，微觀組織為焊縫細晶區、熱力影響區和母材區。螺旋管FSW焊過程中攪拌頭高速旋轉插入被焊接頭，攪拌頭對工件產生摩擦焊熱及擠壓作用使接頭金屬迅速達到塑化狀態，隨著攪拌頭與焊縫的相對運動，攪拌頭的鍛造行為使焊縫中心得到重結晶細化。熱力影響區受攪拌頭的熱力作用低于焊縫中心，組織未發生粗化，只是靠近焊縫中心部位組織在攪拌針的機械作用下有所變形，接頭組織整體均勻細小而致密。

圖3 焊縫的金相組織Fig.3 Metallographic structure of welding seam

圖3b、圖3d為熔焊縱縫管焊縫的宏觀和微觀組織。由圖可知，熔焊焊縫區面積明顯大于FSW焊縫區域組織，且焊縫整體高于母材約1.5 mm；由于熔焊過程的高熱輸入量，焊縫經歷冶金過程后凝固，故焊縫區及熔合區組織較為粗大；熱影響區在較高熱循環溫度作用下，組織發生明顯長大。

2.4 焊縫抗拉強度、管體水壓及氣密性試驗

兩種工藝方法所得管體焊縫的抗拉強度和管體水壓及氣密性試驗如表4所示。螺旋管FSW焊焊縫抗拉強度為302 MPa，顯著高于縱縫管焊縫抗拉強度269 MPa；且在水壓試驗3 MPa、壓力保壓10 min后，FSW焊管體未發現任何變形，而熔焊縱縫管在水壓試驗3 MPa壓力僅保壓1 min時，發現環焊縫局部區域出現明顯變形。

分析認為，FSW焊為熱輸入量在400～550℃的固態焊接，焊縫在攪拌頭熱-機聯合作用下形成致密的焊縫接頭，且組織得到重結晶細化，焊縫抗拉強度顯著提高。縱縫管熔焊焊縫抗拉強度低的原因主要是熔焊過程需經過高溫冶金反應，焊縫組織粗大，且高溫冶金過程易導致鋁合金中強化相的溶解和合金元素的燒損；同時，已形成的焊縫在高溫熱循環溫度下會引起焊縫和熱影響區組織的進一步粗化，這些都將顯著降低焊縫的抗拉強度。

縱縫管承壓時，周向應力（直縫）δY是軸向用力（環縫）δX的2倍[11-12]。螺旋焊管焊縫的螺旋角一般為50°～75°，螺旋管在承受內壓時，通常在管壁上產生周向應力δY和軸向應力δX，焊縫處合成應力為

表4 焊縫抗拉強度、管體水壓試驗及氣密性試驗Table 4 Tensile strength of welding seam，the results of air tightness and hydraulic pressure test

式中 α為螺旋焊管焊縫的螺旋角。

故螺旋焊縫處合成應力介于周向應力（直縫）和軸向用力（環縫）之間，加之螺旋管FSW焊縫的力學性能更高，所以同一管徑的螺旋焊管比直縫焊管允許承受的工作壓力更高，且相同工作壓力下，同一管徑的螺旋焊管壁厚可小于直縫焊管壁厚。

FSW焊接螺旋管的氣密性顯著高于熔焊縱縫管，這是因為FSW為固相焊接方法，焊縫熱輸入量及焊接熱循環溫度低，焊縫無氣孔、裂紋等冶金缺陷，焊縫組織細小，且與母材致密度相當，故具有優異的密封性能。而熔焊過程極易產生氣孔、裂紋等破壞焊縫致密性的缺陷，高的熱輸入量和熱循環溫度會形成粗大的焊縫組織，且焊縫中心與母材之間存在組織的弱結合過渡區域，也會降低焊接接頭的致密性。

3 結論

（1）將自主研發的螺旋管成型設備與攪拌摩擦焊內外機頭有效集成，結合雙面連續動支撐雙面FSW焊接技術，實現了大口徑鋁合金螺旋管FSW焊接。

（2）大口徑鋁合金螺旋FSW焊接與傳統縱縫管熔焊工藝相比，具有更高的生產效率、產品尺寸精度、焊縫致密性和力學性能、、承壓能力及氣密性。

（3）大口徑螺旋管攪拌摩擦焊技術將極大促進大口徑鋁合金管的國產化生產和應用，并產生良好的社會效益和經濟效益。