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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