船用5083铝合金厚板搅拌摩擦焊接工艺研究

作者:李瑞武;杨青云;邱胜闻;张明辉;郭宇凡; 刊名:材料开发与应用 上传者:王红玲

【摘要】研究了30 mm厚铝合金5083板材双面对接焊不同焊接速度和旋转速度的焊接参数组合对焊接接头成型质量及力学性能的影响,结果表明,当焊接参数处于旋转速度为400 r/min~600 r/min,焊接速度为80mm/min~120 mm/min的工艺参数窗口内时,可以获得焊缝成型质量与抗拉性能优异的焊缝。

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5083铝合金为高镁合金,具有强度高、切削加工性良好、抗腐蚀性能优良等特性,广泛应用于汽车制造、轻轨和船舶等许多领域[1]。由于铝合金的熔点低、热导率高、线膨胀系数大,采用熔化焊方法进行焊接时接头容易形成气孔、裂纹等缺陷,同时,5083是一种不可热处理强化的铝合金,减小其焊接时的强度降低值异常重要,而熔化焊接头强度系数较低,这在一定程度上限制了其应用[2]。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是20世纪90年代英国焊接研究所发明的一种新型固态连接技术,该种焊接方法所获得的焊接接头强度系数高,可以有效地降低结构成本,减轻结构质量。现已广泛应用于航空航天、船舶制造、轨道交通等工业领域[3]。搅拌摩擦焊接时的重要焊接参数,例如搅拌头旋转速度、焊接速度、下压量,对焊缝质量和接头性能有着重要的影响[4],各个参数带来的影响相互作用,因而工艺参数的匹配尤为重要[5],现有的关于5083搅拌摩擦焊方面的研究重点主要集中在10 mm规格以下的中薄板,而针对5083厚板的工艺研究尚不完善。本文通过选择不同的焊接工艺参数组合,研究30 mm厚度的5083铝合金焊接参数与焊缝成型质量及组织性能关系,确定搅拌摩擦可靠焊接工艺参数范围,从中寻找出最优的参数组合,以期促进搅拌摩擦焊在船用铝合金中厚板上的应用。1试验材料与方法试验采用的是30 mm厚轧制5083铝合金板材,其母材化学成分如表1所示,实测力学性能参数如表2所示。沿垂直于轧向的方向将板材切成300 mm×150 mm×30 mm的试板,其焊接方向垂直于轧制方向。焊前对试样进行清洗,先用5%~10%(质量浓度)的Na OH溶液,在温度为70℃时浸泡30~60 s,再用15%(质量浓度)左右的HNO3溶液在常温下浸泡2 min,然后用水洗净,干燥备用。试验采用HT-JM40龙门式搅拌摩擦焊机。搅拌头采用右螺旋圆柱头搅拌针配合内凹式轴肩。焊接工艺参数和搅拌头参数如表3所示。表1 5083铝合金母材的主要化学成分Table 1 Chemical compositions of 5083 aluminum alloys(w)%Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al0.4 0.4 0.10 0.40~1.00 4.0~4.9 0.05-0.25 0.25 0.05 Bal.表2 5083铝合金母材的实测室温力学性能Table 2 Tensile strength of 5083 aluminumalloys at room temperature抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rp0.2/MPa断后伸长率A/%337 185 24将待焊板材固定在焊接平台上,采用双面焊接,正反两面均采用同样的焊接参数。在搅拌摩擦焊过程中,通过改变搅拌头旋转速度和焊接速度对试样进行对接焊接,焊后对试样焊缝进行表面质量观察并进行射线探伤。按照国家标准GB/T228—2008《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样,进行拉伸试验,并对拉伸断口进行观察。表3工艺参数Table 3 Process parameters旋转速度/(r·min-1)焊接速度/(mm·min-1)轴肩尺寸/mm搅拌针长度/mm搅拌针倾斜角度/(°)轴肩下压量/mm400~1 200 20~4 00030 14.2 3 0.1~1.02试验结果与分析2.1焊接工艺条件对焊缝成型的影响搅拌摩擦焊接头表面质量是多个工艺参数相互作用的结果,工艺参数选取不当,则会产生焊缝缺陷,如沟槽、飞边和隧道型缺陷等,因此,确定合理的搅拌摩擦焊接工艺参数窗口

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