5A06 鋁合金殼體旋壓成型工藝研究

閆曉英，王 丹

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027）

0 引言

旋壓是一種特殊的成形工藝方法，它是將平板或空心坯料固定在旋壓機的模具上，在坯料隨機床主軸轉動的同時，用旋輪或趕棒加壓于坯料，使之產生局部的塑性變形。在旋壓成形的同時使板厚減薄的工藝稱為變薄旋壓，又稱強力旋壓，多用于加工錐形段、薄壁的管件等，也可用于旋壓大直徑深筒，經強力旋壓成形的材料除了碳鋼、鋁及鋁合金、銅及其合金、不銹鋼這些傳統的金屬材料以外，還包括一些特殊材料的旋壓，如高強度鋼、超高強度鋼、鈦及鈦合金、高溫合金，在金屬塑性成形領域，可旋壓成形的金屬材料種類最為廣泛[1-2]。

通過研究5A06 旋壓成形技術、成形工藝及熱處理參數、焊縫的性能測試、旋壓殼體表面及焊縫周圍的應力應變測試等，驗證了5A06 材料在水下裝備使用的適用性和可行性，且在水下裝備具有廣泛的應用前景。

1 5A06 旋壓成形的原理及工藝

1.1 5A06 旋壓成形原理簡介

5A06 薄壁殼體采用強力旋壓，強力旋壓后材料的強度和硬度比母材提高了約35%～45%，因此在航空航天領域，強力旋壓能有效地減少零件設計壁厚、減輕重量，其疲勞性能也能顯著提高；強力旋壓對厚壁毛坯逐點施加很高的壓力使其減薄變形，材料的金屬纖維流向得到保護，使得零件的疲勞性能得到提高[3]。

強力旋壓屬于整體成形技術，成形的零件沒有母線焊縫，因此零件整體性能提高，尤其是疲勞壽命顯著提高；強力旋壓的無切削加工和簡易的成形模具降低了生產成本，縮短了零件制造周期；強力旋壓在一次成形過程中可以減薄60%甚至更多，由于減薄率較大，強力旋壓可有效地檢驗母材中的冶金缺陷。

1.2 5A06 旋壓成形的工藝

5A06 旋壓成形工藝方法以多道次外旋壓為主，結合車削加工和熱處理的加工工藝，如圖1 所示。首先通過車削加工將毛坯內外表面加工到工藝所需尺寸；然后采用強力旋壓機進行3 個道次的反旋壓加工，加工過程中進行去應力退火處理，消除材料應力，退火處理的次數通過試驗確定。加工后旋壓筒長度比產品略長，以達到通過工藝留邊來提高筒體精度的目的；最后將工藝留邊車去，完成產品的加工。鋁合金外旋工藝流程圖如圖2 所示。

圖1 鋁合金外旋示意圖

圖2 鋁合金外旋工藝流程圖

2 水下裝備殼體傳統成形的缺點

水下裝備殼體成形采用傳統的5A06 板材通過卷圓、縱焊縫焊接、熱處理退火、內外徑機加的工藝方法。采用該工藝方法成形存在一些不足和缺陷：一是通過厚板卷制成形，工序冗長，材料利用率不足，僅有60%；二是機加后的殼體壁厚存在不均勻的現象；三是縱焊縫焊接采用的是鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊焊接的焊縫區組織為典型的鑄造急冷組織，熱影響區是典型的過熱組織，兩種不同組織組合的焊縫成為整個殼體結構中的薄弱環節。

3 水下裝備殼體旋壓成形的優點

對水下裝備殼體采用旋壓成形后，具有以下幾點優勢：

1）實現殼體的整體無縫成形。強力旋壓工藝可實現殼體整體無縫加工，加工精度高，可靠性高，另外還具有可承受沖擊載荷、抗疲勞、重復使用的特點。

2）可顯著提升殼體的力學性能。旋壓過程材料發生逐點塑性變形，能全方位地細化產品晶粒組織，晶粒度等級可細化至6～9 級，提高了材料的力學性能，特別是材料的抗疲勞性能。

3）生產效率高，成本控制顯著。旋壓設備具有高度自動化，適合水下裝備殼體的短周期、高自動化程度的批量生產，且可保證產品加工質量的一致性。旋壓工藝對坯料尺寸要求低，使得材料成本大幅降低。同時，旋壓時原材料的利用率高達90%以上，進一步降低了原材料成本。

4 旋壓成形殼體成形、焊接及表面應力測試

基于水下使用環境的復雜性、多樣性，針對水下裝備殼體的旋壓成形制定成形工藝、熱處理工藝，同時開展焊接工藝試驗及旋壓成形后殼體表面的去應力測試，并對殼體表面及焊縫周圍應力進行測試，與傳統成形方法的殼體表面及焊縫周圍應力進行對比，應力值≤35 MPa，滿足水下使用環境的要求。

4.1 旋壓成形殼體成形參數的選擇

旋壓工藝參數的選擇直接決定著材料在旋壓過程中的變形行為和旋壓件質量。工藝參數主要包括旋壓道次數、道次減薄率、進給比。

4.1.1 旋壓道次數

在外旋壓過程中，單道次旋壓的減薄率受材料性能限制，它與旋前材料的性質及旋壓變形時的應力應變狀態有關。結合5A06 材料的力學性能特性和變形特征，擬定為2～3 道次旋壓成形。

4.1.2 道次減薄率

經相關資料介紹表明，當減薄率在30%以下時，旋壓件的壁厚偏差和內徑偏差隨減薄率的加大而減小；當減薄率大于30%時，旋壓件的壁厚偏差和內徑偏差隨減薄率的加大而加大。因此擬選擇減薄率在30%左右，以保證殼體順利成形。

4.1.3 進給比

旋壓時進給比的大小對旋壓變形有明顯的影響，增大進給比將降低旋壓件的表面質量。但是，適當增大進給比可以改善工件貼模的情況，從而使旋壓件擴徑減輕。

4.2 旋壓熱處理工藝

4.2.1 旋前熱處理

結合之前開發此材料產品的經驗，鍛軋擠壓毛坯件在旋壓前需要進行退火處理，以消除內應力并且使組織均勻化，使旋壓前的毛坯狀態符合旋壓要求。

4.2.2 中間去應力退火

經過兩次強力外旋壓工序，為消除材料的加工硬化，旋壓工序間需要進行去應力退火處理，以滿足后續旋壓要求。5A06 的去應力退火制度擬定為350～410 ℃，保溫1～3 h 后隨爐冷卻。需注意的是，為避免去應力退火冷卻過程中產生殘余應力，保證變形織構的消失和新晶粒的形核長大，冷卻速度應緩慢，尤其針對大型薄壁構件。對于本例產品，為充分消除應力，采用隨爐冷卻制度進行退火冷卻。考慮到產品材料熱處理過程溫度高，易氧化，可采用保護氣氛熱處理方式。同時，在去應力退火處理時，為防止該類薄壁零件的熱變形，可設計相應的防變形工裝。材料選用方面應注意與產品材料的熱膨脹系數相接近。根據之前試驗經驗，在產品全長范圍內設置2～3 個外抱箍，能有效杜絕變形的發生。

4.2.3 最終去應力退火

最終去應力退火旨在消除最終道次旋壓和修磨等工序帶來的變形內應力并穩定工件尺寸。為了防止自然時效狀態下的內應力導致工件開裂的現象發生，工件在旋壓后應在12 h 內進行去應力退火處理。

5 旋壓成形殼體焊接性能及應力測試試驗

因水下裝備特殊的使用環境，因此對其進行焊接性能研究、焊縫的表面應力消除方法制定以及應力測試具有必要性。針對旋壓成形殼體的焊接性能，完成了真空電子束焊和鎢極氬弧焊兩種焊接，并對兩種焊接殼體的力學性能進行焊接及試驗，結果顯示各項性能符合水下裝備殼體的使用要求。

5.1 焊接性能試驗

結合水下裝備殼體的成形工藝，針對旋壓成形殼體開展焊接工藝試驗，并對各項性能的檢測的數據進行分析對比。旋壓殼體與板材卷圓殼體對接焊焊接性能如表1 及表2 所示，兩種焊接試件性能對比圖如圖3 所示。

表1 旋壓殼體與板材卷圓殼體對接焊（電子束焊接）焊接性能實測值

圖3 兩種焊接試件性能對比圖

真空電子束焊接、鎢極氬弧焊兩種焊接的力學性能顯示，焊接件抗拉強度≥245 MPa，屈服強度≥140 MPa，真空電子束焊接試件的延伸率明顯高于鎢極氬弧焊焊接試件。

5.2 旋壓成形外表面及焊縫周圍的應力測試試驗

水下裝備殼體的傳統工藝方法為板材卷制成形，縱焊縫采用手工鎢極氬弧焊焊接，焊后進行熱退火處理。對熱處理后的殼體表面進行應力測試，應力值分布在10～40 MPa。

對旋壓成形殼體進行外表面應力及環焊縫周圍應力測試，因旋壓過程中采用了熱處理去應力的方法，旋壓殼體表面應力分布在10～30 MPa。

采用旋壓成形的殼體通過旋壓、退火、焊接、熱處理等工序后，表面及焊縫周圍的應力有所改善。

1）傳統成形工藝為板材卷圓后焊接縱焊縫—機加內外表面—焊接環焊縫—熱處理。

2）旋壓殼體外表面及焊縫周圍應力：經數據對比顯示，縱焊縫周圍存在拉應力，采用旋壓成形后，減少了縱焊縫的形成，同時減少了縱焊縫周圍的應力集中。殼體母材表面應力測試對比圖如圖4 所示，焊縫表面應力測試對比圖如圖5 所示。

圖4 殼體母材表面應力測試對比圖

圖5 焊縫表面應力測試對比圖

6 結語

通過研究5A06 旋壓成形殼體的成形參數、焊接工藝試驗，并對傳統工藝加工的殼體與旋壓成形殼體的表面及焊縫周圍的應力進行測試并對比，焊接性能數據均控制在≤320 MPa，焊接性及表面應力符合水下裝備的使用要求。未來通過對鋁合金旋壓成形工藝的摸索和研究，會使殼體旋壓成型工藝成為水下裝備殼體主要的成形方式，可促進水下裝備殼體質量和加工效率的大幅提升。