船用5083铝合金板材搅拌摩擦焊技术研究
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搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是一种新型的固相连接技术,特别适合铝、镁等轻金属的焊接,具有高效、节能、环保等优点。5083铝合金拥有良好的力学性能、优良的耐腐蚀性和可焊性,被广泛应用于造船业。本文主要研究了3mm厚的5083铝合金搅拌摩擦焊接技术,并研究了不同的焊接工艺对接头成形、组织和力学性能的影响,同时考察了接头的耐腐蚀性能。通过对5083铝合金的FSW工艺的研究发现,焊接过程中下压量、旋转速度(ω)和焊接速度(v)同时影响接头的成形质量,选择合适的参数组合能够获得表面成形美观、内部致密无缺陷的接头。当搅拌针长度为2.85mm,焊接3mm厚的5083铝合金板材时,合适的下压量为0.05~0.1mm。焊接过程中,增大ω和降低v将使接头热输入量过大,形成飞边。相反,接头热输入量太小,材料不能达到充分的热塑性状态,接头易形成隧道型孔洞缺陷。当ω为800rpm时,v在60~150mm/min时可获得致密的接头,当ω为1500rpm时,v的合适范围是60~300mm/min。研究了5083铝合金FSW焊接参数对接头组织与力学性能影响。观察5083铝合金FSW接头的微观组织可以发现,从接头中心到两边分别为搅拌区、热机影响区、热影响区和母材区,其中搅拌区发生动态再结晶产生细小的等轴晶,可以观察到典型的“洋葱环”结构。固定ω不变,搅拌区晶粒平均尺寸随着v的增大而减小,在800rpm,300mm/min条件下,搅拌区的平均晶粒尺寸为4.3μm。由于晶粒细化,搅拌区的硬度值比母材高,为85HV。在800rpm条件下,当焊接速度为60mm/min时,获得的接头抗拉强度为316MPa,断后伸长率为21.2%,接头的断裂机制为韧脆混合型断裂;焊接速度为250mm/min和300mm/min时,由于接头存在宏观孔洞缺陷,接头性能显著下降。在77K温度环境下,接头抗拉强度为403MPa,断后伸长率为33.5%,通过观察断口形貌可以发现,接头断裂形式为韧性断裂。考察了5083铝合金搅拌摩擦焊接头与母材的耐腐蚀性能,焊缝的耐蚀性能比母材好。在3.5wt%NaCl溶液浸泡试验中,5083铝合金FSW接头与母材腐蚀速率相当。在中性盐雾腐蚀试验环境中,试样的腐蚀失重随测试时间增长而增加。极化曲线测试结果表明,接头的自腐蚀电位比母材高,由于搅拌区组织与成分均匀化,使接头耐腐蚀性能增强。通过晶间腐蚀测试,接头评级为不敏感,母材内部由于β相呈网状分布,对晶间腐蚀敏感。
摘要 | 第5-7页 |
ABSTRACT | 第7-8页 |
第一章 绪论 | 第12-26页 |
1.1 引言 | 第12-13页 |
1.2 搅拌摩擦焊概述 | 第13-17页 |
1.2.1 搅拌摩擦焊及其特点 | 第13-14页 |
1.2.2 搅拌摩擦焊工艺 | 第14-16页 |
1.2.3 搅拌摩擦焊的应用 | 第16-17页 |
1.3 5083 铝合金及其焊接特性 | 第17-20页 |
1.3.1 5083 铝合金 | 第17-18页 |
1.3.2 5083 铝合金焊接特点 | 第18-20页 |
1.4 5083 铝合金搅拌摩擦焊研究进展 | 第20-23页 |
1.4.1 5083 铝合金的搅拌摩擦焊工艺 | 第20-21页 |
1.4.2 搅拌摩擦焊 5083 铝合金的微观组织 | 第21-22页 |
1.4.3 搅拌摩擦焊 5083 铝合金的力学性能 | 第22页 |
1.4.4 搅拌摩擦焊 5083 铝合金的腐蚀性能 | 第22-23页 |
1.5 本课题研究意义、目的和内容 | 第23-26页 |
1.5.1 本课题研究意义和目的 | 第23-24页 |
1.5.2 本课题研究内容 | 第24-25页 |
1.5.3 课题来源 | 第25-26页 |
第二章 试验材料与试验方法 | 第26-34页 |
2.1 试验材料 | 第26页 |
2.2 焊接工艺试验 | 第26-27页 |
2.3 拉伸试验 | 第27-28页 |
2.3.1 室温拉伸试验 | 第27页 |
2.3.2 低温拉伸试验 | 第27-28页 |
2.4 硬度测试 | 第28页 |
2.5 显微组织及断口观察 | 第28页 |
2.6 盐水浸泡试验 | 第28-30页 |
2.6.1 样品制备 | 第28-29页 |
2.6.2 试验装置与周期 | 第29页 |
2.6.3 腐蚀样品清洗及观察 | 第29-30页 |
2.6.4 腐蚀速率的计算 | 第30页 |
2.7 盐雾腐蚀试验 | 第30-31页 |
2.7.1 试验设备及参数 | 第30-31页 |
2.7.2 试样制备及放置、试验周期 | 第31页 |
2.7.3 腐蚀样品微观形貌观察 | 第31页 |
2.8 电化学试验 | 第31-32页 |
2.8.1 样品制备 | 第32页 |
2.8.2 试验装置与腐蚀电流测量 | 第32页 |
2.9 晶间腐蚀试验 | 第32-34页 |
2.9.1 样品制备 | 第32页 |
2.9.2 试验装置与性能评估 | 第32-34页 |
第三章 5083 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究 | 第34-46页 |
3.1 焊接参数对接头表面成形的影响 | 第34-39页 |
3.1.1 表面飞边 | 第34-37页 |
3.1.2 表面弧纹 | 第37-39页 |
3.2 焊接参数对接头内部成形的影响 | 第39-42页 |
3.3 工程因素对接头成形的影响 | 第42-43页 |
3.4 理想的工艺参数范围 | 第43-45页 |
3.5 本章小结 | 第45-46页 |
第四章 5083 铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能 | 第46-65页 |
4.1 工艺参数对接头组织的影响 | 第46-55页 |
4.1.1 宏观组织 | 第46-49页 |
4.1.2 微观组织 | 第49-55页 |
4.2 工艺参数对接头力学性能的影响 | 第55-64页 |
4.2.1 室温力学性能 | 第55-59页 |
4.2.2 低温力学性能 | 第59-64页 |
4.3 本章小结 | 第64-65页 |
第五章 5083 铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀性能 | 第65-81页 |
5.1 盐水浸泡试验 | 第65-68页 |
5.2 极化曲线测试 | 第68-69页 |
5.3 盐雾腐蚀试验 | 第69-74页 |
5.3.1 失重分析 | 第69-70页 |
5.3.2 形貌观察 | 第70-74页 |
5.4 晶间腐蚀测试 | 第74-80页 |
5.5 本章小结 | 第80-81页 |
结论 | 第81-83页 |
参考文献 | 第83-92页 |
攻读硕士学位期间取得的研究成果 | 第92-93页 |
致谢 | 第93-94页 |
答辩委员会对论文的评定意见 | 第94页 |
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