5A06 铝合金壳体旋压成型工艺研究

闫晓英，王 丹

（山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030027）

0 引言

旋压是一种特殊的成形工艺方法，它是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。在旋压成形的同时使板厚减薄的工艺称为变薄旋压，又称强力旋压，多用于加工锥形段、薄壁的管件等，也可用于旋压大直径深筒，经强力旋压成形的材料除了碳钢、铝及铝合金、铜及其合金、不锈钢这些传统的金属材料以外，还包括一些特殊材料的旋压，如高强度钢、超高强度钢、钛及钛合金、高温合金，在金属塑性成形领域，可旋压成形的金属材料种类最为广泛[1-2]。

通过研究5A06 旋压成形技术、成形工艺及热处理参数、焊缝的性能测试、旋压壳体表面及焊缝周围的应力应变测试等，验证了5A06 材料在水下装备使用的适用性和可行性，且在水下装备具有广泛的应用前景。

1 5A06 旋压成形的原理及工艺

1.1 5A06 旋压成形原理简介

5A06 薄壁壳体采用强力旋压，强力旋压后材料的强度和硬度比母材提高了约35%～45%，因此在航空航天领域，强力旋压能有效地减少零件设计壁厚、减轻重量，其疲劳性能也能显著提高；强力旋压对厚壁毛坯逐点施加很高的压力使其减薄变形，材料的金属纤维流向得到保护，使得零件的疲劳性能得到提高[3]。

强力旋压属于整体成形技术，成形的零件没有母线焊缝，因此零件整体性能提高，尤其是疲劳寿命显著提高；强力旋压的无切削加工和简易的成形模具降低了生产成本，缩短了零件制造周期；强力旋压在一次成形过程中可以减薄60%甚至更多，由于减薄率较大，强力旋压可有效地检验母材中的冶金缺陷。

1.2 5A06 旋压成形的工艺

5A06 旋压成形工艺方法以多道次外旋压为主，结合车削加工和热处理的加工工艺，如图1 所示。首先通过车削加工将毛坯内外表面加工到工艺所需尺寸；然后采用强力旋压机进行3 个道次的反旋压加工，加工过程中进行去应力退火处理，消除材料应力，退火处理的次数通过试验确定。加工后旋压筒长度比产品略长，以达到通过工艺留边来提高筒体精度的目的；最后将工艺留边车去，完成产品的加工。铝合金外旋工艺流程图如图2 所示。

图1 铝合金外旋示意图

图2 铝合金外旋工艺流程图

2 水下装备壳体传统成形的缺点

水下装备壳体成形采用传统的5A06 板材通过卷圆、纵焊缝焊接、热处理退火、内外径机加的工艺方法。采用该工艺方法成形存在一些不足和缺陷：一是通过厚板卷制成形，工序冗长，材料利用率不足，仅有60%；二是机加后的壳体壁厚存在不均匀的现象；三是纵焊缝焊接采用的是钨极氩弧焊，钨极氩弧焊焊接的焊缝区组织为典型的铸造急冷组织，热影响区是典型的过热组织，两种不同组织组合的焊缝成为整个壳体结构中的薄弱环节。

3 水下装备壳体旋压成形的优点

对水下装备壳体采用旋压成形后，具有以下几点优势：

1）实现壳体的整体无缝成形。强力旋压工艺可实现壳体整体无缝加工，加工精度高，可靠性高，另外还具有可承受冲击载荷、抗疲劳、重复使用的特点。

2）可显著提升壳体的力学性能。旋压过程材料发生逐点塑性变形，能全方位地细化产品晶粒组织，晶粒度等级可细化至6～9 级，提高了材料的力学性能，特别是材料的抗疲劳性能。

3）生产效率高，成本控制显著。旋压设备具有高度自动化，适合水下装备壳体的短周期、高自动化程度的批量生产，且可保证产品加工质量的一致性。旋压工艺对坯料尺寸要求低，使得材料成本大幅降低。同时，旋压时原材料的利用率高达90%以上，进一步降低了原材料成本。

4 旋压成形壳体成形、焊接及表面应力测试

基于水下使用环境的复杂性、多样性，针对水下装备壳体的旋压成形制定成形工艺、热处理工艺，同时开展焊接工艺试验及旋压成形后壳体表面的去应力测试，并对壳体表面及焊缝周围应力进行测试，与传统成形方法的壳体表面及焊缝周围应力进行对比，应力值≤35 MPa，满足水下使用环境的要求。

4.1 旋压成形壳体成形参数的选择

旋压工艺参数的选择直接决定着材料在旋压过程中的变形行为和旋压件质量。工艺参数主要包括旋压道次数、道次减薄率、进给比。

4.1.1 旋压道次数

在外旋压过程中，单道次旋压的减薄率受材料性能限制，它与旋前材料的性质及旋压变形时的应力应变状态有关。结合5A06 材料的力学性能特性和变形特征，拟定为2～3 道次旋压成形。

4.1.2 道次减薄率

经相关资料介绍表明，当减薄率在30%以下时，旋压件的壁厚偏差和内径偏差随减薄率的加大而减小；当减薄率大于30%时，旋压件的壁厚偏差和内径偏差随减薄率的加大而加大。因此拟选择减薄率在30%左右，以保证壳体顺利成形。

4.1.3 进给比

旋压时进给比的大小对旋压变形有明显的影响，增大进给比将降低旋压件的表面质量。但是，适当增大进给比可以改善工件贴模的情况，从而使旋压件扩径减轻。

4.2 旋压热处理工艺

4.2.1 旋前热处理

结合之前开发此材料产品的经验，锻轧挤压毛坯件在旋压前需要进行退火处理，以消除内应力并且使组织均匀化，使旋压前的毛坯状态符合旋压要求。

4.2.2 中间去应力退火

经过两次强力外旋压工序，为消除材料的加工硬化，旋压工序间需要进行去应力退火处理，以满足后续旋压要求。5A06 的去应力退火制度拟定为350～410 ℃，保温1～3 h 后随炉冷却。需注意的是，为避免去应力退火冷却过程中产生残余应力，保证变形织构的消失和新晶粒的形核长大，冷却速度应缓慢，尤其针对大型薄壁构件。对于本例产品，为充分消除应力，采用随炉冷却制度进行退火冷却。考虑到产品材料热处理过程温度高，易氧化，可采用保护气氛热处理方式。同时，在去应力退火处理时，为防止该类薄壁零件的热变形，可设计相应的防变形工装。材料选用方面应注意与产品材料的热膨胀系数相接近。根据之前试验经验，在产品全长范围内设置2～3 个外抱箍，能有效杜绝变形的发生。

4.2.3 最终去应力退火

最终去应力退火旨在消除最终道次旋压和修磨等工序带来的变形内应力并稳定工件尺寸。为了防止自然时效状态下的内应力导致工件开裂的现象发生，工件在旋压后应在12 h 内进行去应力退火处理。

5 旋压成形壳体焊接性能及应力测试试验

因水下装备特殊的使用环境，因此对其进行焊接性能研究、焊缝的表面应力消除方法制定以及应力测试具有必要性。针对旋压成形壳体的焊接性能，完成了真空电子束焊和钨极氩弧焊两种焊接，并对两种焊接壳体的力学性能进行焊接及试验，结果显示各项性能符合水下装备壳体的使用要求。

5.1 焊接性能试验

结合水下装备壳体的成形工艺，针对旋压成形壳体开展焊接工艺试验，并对各项性能的检测的数据进行分析对比。旋压壳体与板材卷圆壳体对接焊焊接性能如表1 及表2 所示，两种焊接试件性能对比图如图3 所示。

表1 旋压壳体与板材卷圆壳体对接焊（电子束焊接）焊接性能实测值

图3 两种焊接试件性能对比图

真空电子束焊接、钨极氩弧焊两种焊接的力学性能显示，焊接件抗拉强度≥245 MPa，屈服强度≥140 MPa，真空电子束焊接试件的延伸率明显高于钨极氩弧焊焊接试件。

5.2 旋压成形外表面及焊缝周围的应力测试试验

水下装备壳体的传统工艺方法为板材卷制成形，纵焊缝采用手工钨极氩弧焊焊接，焊后进行热退火处理。对热处理后的壳体表面进行应力测试，应力值分布在10～40 MPa。

对旋压成形壳体进行外表面应力及环焊缝周围应力测试，因旋压过程中采用了热处理去应力的方法，旋压壳体表面应力分布在10～30 MPa。

采用旋压成形的壳体通过旋压、退火、焊接、热处理等工序后，表面及焊缝周围的应力有所改善。

1）传统成形工艺为板材卷圆后焊接纵焊缝—机加内外表面—焊接环焊缝—热处理。

2）旋压壳体外表面及焊缝周围应力：经数据对比显示，纵焊缝周围存在拉应力，采用旋压成形后，减少了纵焊缝的形成，同时减少了纵焊缝周围的应力集中。壳体母材表面应力测试对比图如图4 所示，焊缝表面应力测试对比图如图5 所示。

图4 壳体母材表面应力测试对比图

图5 焊缝表面应力测试对比图

6 结语

通过研究5A06 旋压成形壳体的成形参数、焊接工艺试验，并对传统工艺加工的壳体与旋压成形壳体的表面及焊缝周围的应力进行测试并对比，焊接性能数据均控制在≤320 MPa，焊接性及表面应力符合水下装备的使用要求。未来通过对铝合金旋压成形工艺的摸索和研究，会使壳体旋压成型工艺成为水下装备壳体主要的成形方式，可促进水下装备壳体质量和加工效率的大幅提升。