船用5083鋁合金帶筋板擠壓及攪拌摩擦焊工藝研究

竇志家，董 穎，劉施洋，張廣明，金文福，王東輝，康 銘

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

5083是高合金化Al-Mg系合金，其具有不可熱處理強化、中等強度和良好的耐腐蝕性等綜合性能。5083鋁合金產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋁合金船舶結(jié)構(gòu)，如船舶龍骨、船體及上建等部位。目前，國外在大型鋁合金船體及上建建造開始逐步推廣5083鋁合金帶筋板及其攪拌摩擦焊接板組產(chǎn)品。為此本次試驗結(jié)合忠旺集團設(shè)備實際情況，對船用5083鋁合金帶筋板的擠壓和攪拌摩擦焊接工藝進行初步工藝研究，以拓寬國內(nèi)軍用及民用船舶建造用結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)品。

1 試驗材料與方法

試驗鑄錠采用半連續(xù)鑄造工藝，其規(guī)格為Φ370 mm × 600mm。由于5083鋁合金國標(biāo)范圍值具有較大的范圍，為此根據(jù)相關(guān)文獻對合金范圍進行優(yōu)化，形成試驗成分[1-2]方案，如表1所示。

表1 5083鋁合金國標(biāo)及試驗化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

鑄錠經(jīng)均勻化處理后，采用75MN高精密單動正向擠壓設(shè)備，進行單幅帶筋板工藝試制生產(chǎn)，產(chǎn)品截面如圖1所示，試制工藝如表2所示。攪拌摩擦焊接采用ESBA龍門式攪拌焊接設(shè)備進行工藝試制，其試制工藝如表3所示，工藝開發(fā)試制樣品長度為2m。

室溫力學(xué)性能測試采用日本島津AG-250KN型電子萬能拉伸試驗機，并分別對母材及焊后試樣進行性能測量，試樣選取及試驗方法采用ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖1 產(chǎn)品截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the product

表2 鑄錠均質(zhì)制度及擠壓試驗工藝參數(shù)

表3 摩擦攪拌焊試驗工藝參數(shù)

彎曲試驗采用AG-IC50KN型號靜態(tài)壓力試驗機做正向彎曲和背向彎曲試驗，其中壓頭半徑為14mm，試樣的選取及方法按ISO 5173執(zhí)行，焊接拉伸試樣及彎曲試樣如圖2所示。為保證試驗結(jié)果具有可比較性及準(zhǔn)確性，測試結(jié)果采取3個試樣的算術(shù)平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝試驗結(jié)果

經(jīng)過不同加熱溫度試驗可知，鑄錠加熱在490℃以上試制，擠壓型材表面出現(xiàn)“橘皮”現(xiàn)象，且在型材尖角處出現(xiàn)細微裂紋。在低于470℃擠壓雖然制品表面質(zhì)量良好，但具有較高的變形抗力，提高了設(shè)備使用風(fēng)險，降低了模具使用壽命。在470℃ ～ 490℃內(nèi)擠壓，制品具有良好的尺寸及表面質(zhì)量。

2.2 攪拌摩擦焊接工藝試驗結(jié)果

按表3的攪拌摩擦焊接試制工藝方案焊接后(圖3)，經(jīng)檢查5083鋁合金帶筋板具有良好的焊后表面質(zhì)量，未出現(xiàn)未焊合、飛邊等表面缺陷。

(a)摩擦攪拌焊接力學(xué)性能示意圖 (b)摩擦攪拌焊接彎曲性能示意圖圖2 產(chǎn)品彎曲試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of product bending test

(a)摩擦攪拌焊接正面； (b) 摩擦攪拌焊接背面圖3 焊后表面效果Fig.3 Surface effect after welding

通過隨機多次抽取高倍組織照片(圖4)，可以看出，焊縫處焊接組織質(zhì)量良好，無孔洞等缺陷。

圖4 5083鋁合金攪拌摩擦焊接焊縫高倍金相組織Fig.4 High-magnification metallographic structureof 5083 aluminum alloy friction stir welding

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量檢測試驗結(jié)果

5083鋁合金擠壓帶筋板材料實測靜載性能和標(biāo)準(zhǔn)值如圖5所示。焊縫力學(xué)性能與轉(zhuǎn)速比變化趨勢如圖6所示；焊后試樣經(jīng)過180°彎曲試驗，如圖7所示，其經(jīng)過正彎及背彎均無裂紋出現(xiàn)，且經(jīng)過剝落腐蝕測試試樣結(jié)果為N級。

2.4 擠壓工藝分析

材料在正向擠壓成型過程中，受到模具等摩擦力作用在材料表面處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料表層的抗拉強度時，則制品表面產(chǎn)生裂紋及開裂。而5083合金屬于高鎂合金，因此在擠壓生產(chǎn)過程中具有較大的變形抗力[4]。在初始試驗時，為保證設(shè)備安全性采用高溫方式進行擠壓試制生產(chǎn)，由于鑄錠加熱溫度較高，使鑄錠表面抗拉應(yīng)力降低，致使出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。隨著鑄錠溫度的降低，鑄錠表面抗拉應(yīng)力升高，制品表面橘皮、開裂與裂紋消失，但鑄錠抗力隨之增加。因此當(dāng)鑄錠低于470℃時，提高了設(shè)備使用危險系數(shù)以及設(shè)備的能耗。

圖5 母材實測力學(xué)性能Fig.5 Measured mechanical properties of the base metal

圖6 強度與轉(zhuǎn)速與焊速比變化趨勢Fig.6 Variation trend of strength, speed and welding speed ratio

(a)試樣正彎； (b) 試樣背彎圖7 彎曲試樣照片F(xiàn)ig.7 Photograph of curved specimen

2.5 擠壓材料分析

通過擠壓材料的試驗結(jié)果可以看出，材料性能高于標(biāo)準(zhǔn)強度，其中屈服強度均值高于標(biāo)準(zhǔn)14%，抗拉強度均值高于標(biāo)準(zhǔn)強度7%，延伸率均值高于標(biāo)準(zhǔn)50%。

從合金配比上分析，Al-Mg系鋁合金中Mg是主要強化元素。因此，根據(jù)此次靜載性能試驗結(jié)果表明，可通過對Mg合金元素配比優(yōu)化進一步提升產(chǎn)品性能值。Mn元素的加入，不僅提高了產(chǎn)品的強度性能，并使Al8Mg5呈均勻沉淀，大幅度提高材料的抗腐蝕性能。同時，微量元素Cr加入與Mn元素形成復(fù)合強化相Al12(CrMn)，進一步提高了合金強度和耐蝕性[5]。

從生產(chǎn)工藝上分析，Al-Mg合金屬于非熱處理強化合金，但可在張力矯直工序環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)性能。隨著矯直拉伸量提高產(chǎn)品的屈服強度提高，而組織中位錯密度增加，產(chǎn)生大量的位錯纏結(jié)，促進腐蝕裂紋形核，致使腐蝕敏感性增加[6]。考慮到產(chǎn)品實際應(yīng)用情況，以及后續(xù)焊接加工工藝的影響，產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中采用相對較小的拉伸量，使材料具有良好的耐腐蝕性，同時具有中等強度的綜合性能。

2.6 攪拌摩擦焊接分析

經(jīng)不同焊接工藝方案性能測試可以看出，試樣經(jīng)過正向和背向180°彎曲后均無裂紋及開裂現(xiàn)象。但隨著轉(zhuǎn)焊接比值的增加，焊縫抗拉強度逐步降低，其中比值在2.5～5.0時抗拉強度降低較快，在比值在5.0以上焊縫強度降低速率放緩。從與母材強度比值上來看，轉(zhuǎn)焊比為2.5～10.0時，焊后抗拉強度與母材的比值從99.87%降低至91.36%。而攪拌摩擦焊熱輸入主要取決于轉(zhuǎn)焊比，因此在焊接此類非熱處理強化合金時，在保證焊縫強度和焊接可行性的條件下，應(yīng)減少焊接熱輸入可選用較小的轉(zhuǎn)換比值。

3 結(jié)論

1)通過擠壓工藝現(xiàn)場試制與調(diào)整，3#和4#生產(chǎn)工藝方案符合產(chǎn)品生產(chǎn)工藝需求，擠壓制品具有良好的表面效果和綜合性能；

2)通過對材料合金配比優(yōu)化及拉伸量控制，預(yù)計可大幅提高產(chǎn)品的性能強度，但應(yīng)考慮抗腐蝕性問題做進一步優(yōu)化；

3)通過摩擦攪拌焊接試制與調(diào)整，1#方案為優(yōu)選方案，滿足具有良好綜合性能，又具有良好工藝生產(chǎn)效率的要求。