羅傳光，李?桓，馬?飛，于福盛，張宇輝，楊立軍

噴射成形2195鋁鋰合金封頭旋壓及焊接試驗(yàn)研究

羅傳光1, 2，李?桓1，馬?飛2，于福盛1，張宇輝1，楊立軍1

(1. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100)

采用噴射成形2195鋁鋰合金板材進(jìn)行了封頭部件的旋壓，通過應(yīng)力檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)以及電子背散射衍射(EBSD)等方法對(duì)旋壓后材料的組織和性能進(jìn)行了分析，采用兩件旋壓封頭零件完成了400mm直徑箱體焊接及強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了對(duì)該種材料旋壓、焊接成形工藝與其組織性能相關(guān)性的基本認(rèn)識(shí). 試驗(yàn)結(jié)果表明，噴射成形2195鋁鋰合金采用適當(dāng)?shù)男龎?熱處理工藝能夠整體制備出封頭類回轉(zhuǎn)體零件，旋壓件經(jīng)固溶+時(shí)效處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)470～495MPa，延伸率可達(dá)5%～6%. 旋壓過程中在材料表面會(huì)產(chǎn)生明顯的冷作硬化作用，需進(jìn)行中間退火處理，以消除表面硬化、降低殘余應(yīng)力. 旋壓后材料的組織狀態(tài)呈現(xiàn)由旋壓產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)，且以細(xì)小的晶粒帶狀為特征，其晶粒尺寸及分布可作為旋壓工藝效果的評(píng)價(jià)依據(jù). 焊后采用0.52MPa的設(shè)計(jì)壓力對(duì)箱體容器進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了箱體焊縫能夠達(dá)到同類容器的強(qiáng)韌性要求.

噴射成形；2195鋁鋰合金；剪切旋壓；焊接；組織和性能

航天產(chǎn)品如導(dǎo)彈的頭錐、橢球端蓋、運(yùn)載火箭貯箱箱底等回轉(zhuǎn)體部件非常適合采用旋壓成形工藝技術(shù)．美國的Atlas系列和Delta系列火箭、日本的H-2B火箭，以及戰(zhàn)神I火箭上面級(jí)的貯箱箱底結(jié)構(gòu)都是采用整體旋壓成形＋熱處理工藝制造．采用整體旋壓成形制造箱底結(jié)構(gòu)，進(jìn)而與其他結(jié)構(gòu)件拼焊形成整個(gè)貯箱已是國外主要運(yùn)載火箭的首選方案[1-2]．

2195鋁鋰合金作為第3代鋁鋰合金的典型代表，具有高強(qiáng)度、高模量和優(yōu)異的耐腐蝕、焊接及低溫性能，是Weldalite系列應(yīng)用最廣泛的合金，可取代2219和2A14鋁合金，應(yīng)用于運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)劑貯箱等結(jié)構(gòu)中[3-4]．但由于2195鋁鋰合金材料的熔鑄制備方式一直存在成本高、工藝復(fù)雜、周期長等問題，也促進(jìn)了其他材料制備方法如噴射成形技術(shù)的發(fā)展，采用噴射成形方法制備2195合金提供了一種材料制備的新途徑．有關(guān)研究表明[5-6]，與熔鑄工藝制備的坯料相比，噴射成形技術(shù)制備的鋁鋰合金晶粒組織細(xì)小，無宏觀偏析與內(nèi)應(yīng)力，力學(xué)性能與熔鑄成形材料相當(dāng)，且制備成本較低．國內(nèi)江蘇豪然噴射成形合金有限公司利用噴射成形技術(shù)成功制備了2195鋁鋰合金坯料，并實(shí)現(xiàn)了坯料的擠壓和鍛造、熱處理等工藝的配套．

目前，國內(nèi)對(duì)鋁鋰合金的研究雖取得一定進(jìn)展，但對(duì)其焊接、滾彎、旋壓等成形連接技術(shù)的研究還較為有限，尤其是針對(duì)典型航空航天部件的集成制造技術(shù)尚未在工藝鏈的相關(guān)性認(rèn)識(shí)上獲得突破[7]，對(duì)2195鋁鋰合金成形加工工藝的研究也主要集中于熔鑄型合金材料，對(duì)噴射成形 2195鋁鋰合金成形加工研究還處于起步階段，采用噴射成形2195鋁鋰合金開展旋壓結(jié)構(gòu)件研制及焊接試驗(yàn)驗(yàn)證尚屬首次．本文采用噴射成形2195鋁鋰合金板材開展了封頭零件旋壓試驗(yàn)及工藝優(yōu)化，通過應(yīng)力檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)、電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)等方法對(duì)旋壓后材料的組織性能進(jìn)行了分析；采用兩件旋壓封頭零件拼焊完成了直徑為400mm箱體容器并通過了強(qiáng)度試驗(yàn)考核，實(shí)現(xiàn)了從噴射成形2195鋁鋰合金板材熱處理、旋壓、拼裝焊接及試驗(yàn)等制造工藝的技術(shù)集成，獲得了對(duì)該種材料的制造工藝與其組織、性能相關(guān)性的基本認(rèn)識(shí)．

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用江蘇豪然噴射成形合金有限公司生產(chǎn)的噴射成形2195鋁鋰合金(以下記為S2195，其中S為spray formed 的縮寫)．噴射成形后的坯錠經(jīng)過鍛壓、軋制成板材并經(jīng)完全退火處理，板坯厚度為13mm．表1所示為S2195鋁鋰合金中元素的主要化學(xué)成分，表2所示為S2195合金退火態(tài)的力學(xué)性能．

表1?S2195鋁鋰合金主要化學(xué)成分

Tab.1 Main chemical composition of the S2195 Al-Li aloy %

表2?S2195母材的力學(xué)性能

Tab.2?Mechanical properties of the S2195 plate

1.2?試驗(yàn)方法

旋壓試驗(yàn)采用有模旋壓成形方法．其中，封頭剪切旋壓是一種典型的成形工藝[8-9]，平板或預(yù)成形毛坯通過尾頂同心地固定在芯模端面上，并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，旋輪沿芯模曲線方向以一定間隙進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使材料逐點(diǎn)變形，成形為所需的工件，如圖1所示．旋壓設(shè)備采用自主研發(fā)的CZX3500/2CNC數(shù)控雙輪旋壓機(jī)．該設(shè)備由床身部件、主軸部件、左右旋輪架部件、尾座部件、芯模支撐裝置、內(nèi)置退料器、外置退料器等部件構(gòu)成，控制系統(tǒng)采用SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)，具有鏡像編程、手輪在線微調(diào)等功能．旋壓芯模采用ZG45鋼整體鑄造后經(jīng)機(jī)加工而成，外表面粗糙度達(dá)到0.8mm．經(jīng)過試旋驗(yàn)證，確定主要旋壓工藝參數(shù)為旋輪直徑350mm，旋輪圓角半徑12mm，旋輪安裝角為15°，設(shè)備轉(zhuǎn)速40r/min，旋輪進(jìn)給比1mm/周．旋壓間隙調(diào)節(jié)采取變間隙方法，具體依據(jù)正弦率及回彈量綜合考慮，旋壓時(shí)，工件錐段區(qū)間隙為7mm．此外，在整個(gè)旋壓成形過程中采取了手輪微調(diào)在線干預(yù)調(diào)節(jié)間隙的方法，以確保整個(gè)旋壓過程穩(wěn)定進(jìn)行．

圖1?剪切旋壓加工示意

封頭零件完成旋壓加工后，在旋壓本體進(jìn)行取樣并按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)》(GB/T228—2010)進(jìn)行了性能拉伸試驗(yàn)，采用EBSD等方法分析了旋壓件的微觀組織．同時(shí)，為驗(yàn)證S2195旋壓材料組織的焊接工藝性和強(qiáng)韌性，選用兩件完整的旋壓封頭，采用鎢極氬弧焊實(shí)施了前后封頭對(duì)接焊，即焊接成一個(gè)400mm直徑箱體容器，并按照設(shè)計(jì)壓力對(duì)箱體進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)．

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?封頭旋壓工藝

結(jié)合材料特性并經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化確定S2195合金封頭旋壓工藝流程如下：

S2195退火態(tài)坯料機(jī)加工(車切圓)—旋壓(剪切旋壓，使法蘭緣前傾)—退火處理—旋壓(制出直邊)—固溶處理—人工時(shí)效—底邊修整—尺寸檢測(cè)．

與旋壓2219鋁合金等在用貯箱主體材料不同的是，在旋壓過程中需增加完全退火熱處理工序(退火溫度(425±3)℃，保溫2h；隨爐冷卻35～40min，降至260℃空冷)．這是因?yàn)閷?duì)鋁鋰合金而言，剪切旋壓后工件冷作硬化效果明顯，導(dǎo)致工件后續(xù)旋壓成形困難，需要進(jìn)行中間退火，否則，當(dāng)加工硬化超過動(dòng)態(tài)軟化，旋壓表面會(huì)出現(xiàn)開裂并迅速向周邊和內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致無法旋壓，如圖2所示．

圖2?工件表面硬化導(dǎo)致的旋壓開裂

剪切旋壓后，采用盲孔法對(duì)旋壓工件的凸面和凹面分別進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，有助于了解旋壓后的材料狀態(tài)對(duì)固溶強(qiáng)化處理及后續(xù)加工的影響．如圖3所示，因工件呈中心對(duì)稱，在0°和45°位置對(duì)凸面的徑向和周向進(jìn)行了殘余應(yīng)力及分布的檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示．在90°和135°位置對(duì)凹面的徑向和周向進(jìn)行了殘余應(yīng)力及分布的檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示．

從整體上看，0°和45°徑向和周向的殘余應(yīng)力狀態(tài)及分布是相似的．凸面的徑向應(yīng)力分布特點(diǎn)由圖4(a)可見，是從圓頂向兩側(cè)邊緣逐漸變化，圓頂頂部的拉應(yīng)力逐漸變小而轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力；通過對(duì)這一現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)旋壓后板材的4個(gè)邊角形成的拘束力是凸面應(yīng)力變化的原因，去除邊角后進(jìn)行后續(xù)熱處理則有利于應(yīng)力狀態(tài)的平衡．在0°和45°方向，周向應(yīng)力自頂部逐漸變小，符合中間退火后消除表面硬化和降低殘余應(yīng)力的工藝效果．

圖3?殘余應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)

圖4?凸面0°和45°方向應(yīng)力對(duì)比

工件凹面應(yīng)力分布狀態(tài)如圖5所示，中心圓處徑向應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而周向應(yīng)力為數(shù)值較小的應(yīng)力；平板邊緣處徑向和周向應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力．凹面的殘余應(yīng)力狀態(tài)及分布特點(diǎn)是源于旋壓板材的單向弧面變形，使材料的內(nèi)表面在旋壓延展變形的同時(shí)，仍處于擠壓約束狀態(tài)，呈現(xiàn)一種典型的凹面變形殘余應(yīng)力的分布．

圖5?凹面90°和135°方向應(yīng)力對(duì)比

封頭直邊旋壓完成后，按照中南大學(xué)輕合金研究院實(shí)驗(yàn)室提供的T6狀態(tài)熱處理數(shù)據(jù)，對(duì)旋壓件進(jìn)行了固溶＋人工時(shí)效處理，固溶參數(shù)：(505±3)℃/ 70min，水淬(水溫≤20℃，轉(zhuǎn)移時(shí)間≤3s)；時(shí)效參數(shù)：165℃/40h，空冷．按照?qǐng)D3沿圓周均分8個(gè)方向等比例分段選點(diǎn)對(duì)旋壓成品進(jìn)行了尺寸測(cè)量，結(jié)果顯示：橢球段自頂部圓周至底邊直線段邊緣呈局部減薄趨勢(shì)，厚度從12.02mm逐漸減薄至9.15mm；旋壓直邊長度達(dá)到100mm，最底部直邊厚度為(8±1)mm，直邊段的壁厚差較?。龎悍忸^整體形面貼模情況良好，未出現(xiàn)起皺、失穩(wěn)、鼓包等缺陷，驗(yàn)證了工藝過程及參數(shù)的可行性，圖6所示為S2195封頭旋壓件?成品．

圖6?S2195封頭旋壓件

2.2?封頭旋壓件組織性能分析

表3所示為S2195合金封頭旋壓件熱處理后室溫力學(xué)測(cè)試結(jié)果．在封頭旋壓件本體每個(gè)象限上取2個(gè)試樣，共取8個(gè)試樣．從試樣拉伸結(jié)果來看，抗拉強(qiáng)度達(dá)到470～495MPa，屈服強(qiáng)度為420～440MPa，延伸率為5%～6%，表明S2195鋁鋰合金旋壓件匹配合適的熱處理工藝可以獲得較好的強(qiáng)韌性．

表3?S2195合金旋壓件T6處理后室溫力學(xué)性能

Tab.3 Room temperature mechanical properties of S2195 alloy spinning parts after T6 treatment

圖7所示為S2195封頭旋壓件直邊微觀組織形貌．可見S2195材料旋壓后的組織狀態(tài)呈明顯的由旋壓產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)，且以細(xì)小的晶粒帶狀為特征．由于旋壓過程中材料表面晶粒破碎，產(chǎn)生加工硬化，使每一道旋壓的變形是不均勻的，從而其帶狀組織在尺度上也是不均勻的．在旋壓的塑性變形初期，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而顯著增加．由于塑性變形導(dǎo)致材料近表面位錯(cuò)密度顯著增加和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象．隨旋壓變形的繼續(xù)進(jìn)行，由于應(yīng)變的積累，材料內(nèi)部變形儲(chǔ)存能增加，位錯(cuò)的可動(dòng)性增強(qiáng)，從而使材料開始發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，有利于材料動(dòng)態(tài)軟化．在整個(gè)旋壓變形過程中，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩個(gè)現(xiàn)象相互競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)動(dòng)態(tài)軟化和加工硬化相對(duì)平衡時(shí)，使材料的旋壓變形過程能夠穩(wěn)定進(jìn)行．圖8所示為S2195封頭旋壓件(直邊位置)經(jīng)T6處理后的晶粒狀態(tài)及比例，變形晶粒的比例僅為7.5%，而亞晶結(jié)構(gòu)占到了70%以上，可見在旋壓直邊段，材料的厚度由最初的13mm擠壓變形至8mm左右，材料在旋壓加工中產(chǎn)生的各類微觀組織特征狀態(tài)及其比例，可認(rèn)為是一種對(duì)旋壓成形加工效果的評(píng)估依據(jù).

圖8?旋壓件(直邊位置)經(jīng)T6處理后的晶粒狀態(tài)

2.3?封頭焊接及試驗(yàn)驗(yàn)證

為研究S2195合金的焊接工藝且進(jìn)一步驗(yàn)證旋壓結(jié)構(gòu)材料的性能，本次試驗(yàn)首先采用單面兩層VPTIG工藝進(jìn)行了S2195-T6板材對(duì)接焊．焊接板材厚度6mm，坡口角度90°、鈍邊1.0～1.5mm，焊絲選用國內(nèi)某研究所針對(duì)2195鋁鋰合金自主研制的4210B焊絲．通過試片焊接工藝試驗(yàn)，確定主要焊接工藝參數(shù)為：打底焊接電流220A、焊接速度約130mm/min；蓋面焊接電流200A、焊接速度約100mm/min．拉伸試驗(yàn)表明，常溫接頭(5個(gè)試樣均值)的抗拉強(qiáng)度為364MPa，延伸率為6.3%，分別達(dá)到了母材的67%與90%，驗(yàn)證了焊接工藝可行且材料具有較好的焊接性.

在試板焊接的基礎(chǔ)上，采用兩件封頭拼焊完成了一個(gè)400mm直徑箱體容器，并進(jìn)行了液壓強(qiáng)度試驗(yàn)考核．焊接采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)裝配、手工單面兩層焊接工藝方法，焊絲仍選用4210B．焊前對(duì)焊縫及焊絲進(jìn)行了嚴(yán)格的清洗、打磨，主要焊接工藝參數(shù)為：打底焊接電流260A，蓋面焊接電流220A；打底焊接速度100mm/min，蓋面焊接速度120mm/min．由于鋁鋰合金焊接過程中氣孔及氧化敏感性比其他牌號(hào)的鋁合金更高，在焊接過程中對(duì)焊縫背面(即焊接件內(nèi)部)進(jìn)行了高純氬氣充氣保護(hù)，以盡可能避免焊縫氧化，如圖9(a)所示．

圖9?箱體焊接及強(qiáng)度試驗(yàn)

圖9(b)所示為完成焊接的箱體，可見焊縫外觀質(zhì)量良好，按照YS 0620—1997標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行了X射線透視，未發(fā)現(xiàn)鏈狀氣孔或裂紋等缺陷，說明S2195旋壓件具有較好的焊接工藝性．如圖9(c)所示，按照設(shè)計(jì)計(jì)算壓力對(duì)該箱體進(jìn)行了逐級(jí)加壓強(qiáng)度試驗(yàn)考核，分5級(jí)逐級(jí)加壓至0.52MPa并保壓10min，該箱體順利通過強(qiáng)度試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了箱體焊縫達(dá)到同類容器的強(qiáng)韌性要求.

3?結(jié)?論

(1) S2195合金采用適當(dāng)?shù)男龎海珶崽幚砉に嚹軌蛘w制備出封頭類回轉(zhuǎn)體零件，旋壓工藝及參數(shù)可行；旋壓過程中存在變形不均勻現(xiàn)象，自頂部到底部邊緣存在一定厚度差異.

(2) S2195合金剪切旋壓后工件冷作硬化效果明顯，需進(jìn)行中間退火處理來消除表面硬化、降低殘余應(yīng)力，否則難以進(jìn)行后續(xù)旋壓成形.

(3) S2195合金旋壓件具有較好強(qiáng)韌性，旋壓后的組織狀態(tài)呈明顯的由旋壓產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)，且以細(xì)小的帶狀晶粒為特征，其晶粒尺寸和分布可作為材料經(jīng)旋壓加工后工藝效果的評(píng)價(jià)依據(jù).

(4) S2195合金旋壓件具有較好的焊接工藝性，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚹軌颢@得質(zhì)量優(yōu)良的焊縫，且接頭達(dá)到同類容器的強(qiáng)韌性要求.

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Spinning and Welding Test Investigation of Shell Cover of Spray-Formed 2195 Al-Li Alloy

Luo Chuanguang1, 2，Li Huan1，Ma Fei2，Yu Fusheng1，Zhang Yuhui1，Yang Lijun1

(1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Changzheng Equipment Manufacturing Co., Ltd. of Sichuan Aerospace，Chengdu 610100，China)

In this study, to analyze the microstructure and properties of a shell cover produced by spinning it along with a spray-formed 2195 Al-Li alloy plate, we conducted a stress test, a mechanical properties test, and performed electron backscatter diffraction. A tank with a diameter of 400 mm was welded from two shell covers and its strength was verified by hydrostatic testing. The basic relations among the spinning process, welding parameters, microstructure, and properties were satisfactorily determined. The test results showed that some helicoid components can be produced from spray-formed 2195 Al-Li alloy by selecting the proper spinning and heat treatment parameters in combined processes. This result verifies the feasibility of the applied processes and corresponding parameters. The strength of the spin-formed sample component reached 470—495 MPa with an elongation percentage of 5%—6% after solution and aging treatments. In the spinning process, since cold-work hardening effects occur on the surface of the material, an intermediate annealing treatment is required to mitigate surface hardening and reduce residual stress. The spinning components have a typical stratified microstructure with a fine grain band, and the gain size and its distribution can be used as a criterion for the spinning process. After spinning, the material was found to maintain good welding performance, and the strength and toughness of the welding joint can be ensured by the use of an optimized welding process. The results of the hydrostatic strength test of the tank were successful at an applied pressure of 0.52 MPa, which indicates that the produced tank met the strength and toughness requirements of similar container components.

spray forming；2195 Al-Li alloy；shear spinning；welding；microstructure and property

the National Natural Science Foundation of China(No.51675375).

TG457.14

A

0493-2137(2020)08-0803-06

10.11784/tdxbz201909070

2019-09-27；

2019-11-14.

羅傳光（1984—??），男，博士，chg_luo@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

楊立軍，yljabc@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675375).

(責(zé)任編輯：田?軍)