壓力容器用鋁合金5083-O厚板攪拌摩擦焊研究

李海山 于龍華 馬延超 張 斌 金 健

（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院)

壓力容器用鋁合金5083-O厚板攪拌摩擦焊研究

李海山*于龍華 馬延超 張 斌 金 健

（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院)

采用攪拌摩擦焊對5083-O厚板鋁制壓力容器進(jìn)行了焊接，焊后用萬能試驗(yàn)機(jī)對不同參數(shù)的接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并使用光學(xué)顯微鏡對焊接接頭組織和表面形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在焊接速度50 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度1800 r/min的情況下，獲得的接頭拉伸性能最高可達(dá)到296 MPa；同時焊縫表面平整規(guī)則，界面結(jié)合良好。

壓力容器 攪拌摩擦焊 鋁合金 焊接速度 旋轉(zhuǎn)速度 拉伸試驗(yàn)

0 前言

攪拌摩擦焊是英國焊接中心于1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)連接技術(shù)，它能很好地焊接一般熔焊不能焊接的高強(qiáng)度鋁合金。作為新興焊接技術(shù)的攪拌摩擦焊不僅可以應(yīng)用于機(jī)車制造、航空航天等方面，也可以應(yīng)用于鋁合金制壓力容器 （縱焊縫）的焊接。5083鋁合金中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性、可焊接性以及中等的強(qiáng)度。優(yōu)良的抗腐蝕性能使5083鋁合金廣泛應(yīng)用于海事用途，如船舶等，也應(yīng)用于汽車、飛機(jī)的焊接件，以及需嚴(yán)格防火的壓力容器 （如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱）。目前，國內(nèi)外通常是采用傳統(tǒng)的熔焊方法 （如MIG、TIG等）來對鋁合金進(jìn)行焊接的，為了提高焊接接頭的性能，采取的方法主要是選用強(qiáng)度更高的焊絲來進(jìn)行焊接。攪拌摩擦焊方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金的焊接，而且還具有節(jié)能、環(huán)保、操作簡單等特點(diǎn)，因而攪拌摩擦焊技術(shù)將逐步應(yīng)用到壓力容器制造領(lǐng)域[1-8]。

鋁合金5083-O厚板是壓力容器常用的材料。但攪拌摩擦焊在壓力容器行業(yè)至今還未得到廣泛的應(yīng)用。為了研究這項(xiàng)新技術(shù)，本課題做了多方面相關(guān)的研究。本課題詳細(xì)研究了 10 mm厚鋁合金5083-O攪拌摩擦焊接頭的顯微組織、表面形貌和力學(xué)性能，得到了10 mm厚板5083-O的最佳工藝參數(shù)，以促進(jìn)攪拌摩擦焊這種先進(jìn)的連接技術(shù)在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用10 mm厚的5083-O鋁合金，試件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。采用攪拌摩擦焊機(jī)對鋁板進(jìn)行焊接，焊接時選用圓臺型帶螺紋攪拌針。該焊機(jī)攪拌頭的尺寸為：軸肩直徑25 mm，攪拌針長9.2 mm，其中軸肩傾角2°，下壓量4 mm。焊前使用丙酮去除工件油污，并將其剛性固定在墊板上。焊接參數(shù)為：焊接速率 50 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度 800～2000 r/min。

表1 5083-O鋁合金化學(xué)成分 (%)

焊后利用萬能試驗(yàn)機(jī)對不同參數(shù)的接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。選擇力學(xué)性能最佳的焊件，沿垂直于焊接方向截取試樣，用凱勒試劑對拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，利用OLYMPUS-BX51M光學(xué)顯微鏡觀察試樣的微觀組織。還使用顯微硬度儀對試樣的橫截面進(jìn)行了硬度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

對焊接速度50 mm/min時不同旋轉(zhuǎn)速度下的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從表3中的拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，旋轉(zhuǎn)速度為1800 r/min時，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值 296 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的89.7%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度大于1800 r/min時，即旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)增大，接頭的抗拉強(qiáng)度反而降低。這是因?yàn)楫?dāng)旋轉(zhuǎn)速度過高時，過多的熱輸入使焊縫組織發(fā)生過燒現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接頭的抗拉強(qiáng)度下降。而當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低時，焊接熱輸入較少，尤其對于厚板來說，其熱輸入量不足以使焊接區(qū)金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，材料不能充分流動，因而焊縫成形不好，甚至在焊縫區(qū)存在焊接缺陷，使得接頭抗拉強(qiáng)度較小。

表3 焊接速度50 mm/min時不同旋轉(zhuǎn)速度下接頭抗拉強(qiáng)度

2.2 顯微硬度

用FM-700型顯微維氏硬度儀對試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，其硬度分布曲線如圖1所示。由圖1可以看出，沿焊縫橫截面硬度的分布呈W形，焊縫區(qū)硬度比母材低，在焊縫區(qū)焊核區(qū)硬度最高。

圖1 5083-O鋁合金焊接接頭顯微硬度分布曲線

2.3 顯微組織

5083-O鋁合金在焊接速度50 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度1800 r/min下獲得的焊接接頭的顯微組織如圖2所示。

圖2 5083-O鋁合金焊接接頭顯微組織

由圖2（a）可以看出，原始母材組織由于軋制而晶粒變長。圖2（b）為熱影響區(qū)，該區(qū)域沒有受到攪拌頭的機(jī)械攪拌作用，但在焊接過程中由于受到了焊接熱循環(huán)的作用而導(dǎo)致該區(qū)的原始帶狀組織消失，并且晶粒粗大。圖2（c）為熱機(jī)影響區(qū)與焊核的交界區(qū)。與接頭其它區(qū)域相比，熱機(jī)影響區(qū)在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環(huán)的綜合作用下，組織變化最為明顯，有回復(fù)與再結(jié)晶晶粒。圖2（d）為焊核區(qū)。該區(qū)在熱機(jī)械攪拌作用下，形成了比母材晶粒更細(xì)小的等軸晶。

3 結(jié)論

（1）實(shí)現(xiàn)了10 mm厚的5083-O鋁合金攪拌摩擦焊焊接，焊接接頭成形良好，表面光滑，沒有出現(xiàn)飛邊、溝槽等缺陷，背部焊合良好。

（2）當(dāng)焊接速度一定 （50 mm/min）時，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，接頭焊核區(qū)的晶粒變得更加細(xì)小，接頭抗拉強(qiáng)度也隨之增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 1800 r/min時，晶粒最小，接頭抗拉強(qiáng)度也達(dá)到最大值，為母材抗拉強(qiáng)度的89.7%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)增大時，晶粒反而長大，接頭抗拉強(qiáng)度也隨之降低。

（3）接頭顯微硬度沿焊縫橫截面近似呈W形分布，即焊縫中心區(qū)域硬度最高，熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的過渡區(qū)硬度最低。

（4）分析5083-O鋁合金的攪拌摩擦焊接頭顯微組織發(fā)現(xiàn)，由于攪拌過程中發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，使得焊核區(qū)的晶粒得到充分的細(xì)化和均勻化。

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我國大型乙烯工藝設(shè)備靠進(jìn)口的歷史將改寫

我國大型乙烯工藝和設(shè)備依靠進(jìn)口的歷史將改寫。2014年8月中旬，國產(chǎn)化程度最高的大型乙烯項(xiàng)目——武漢80萬t/a乙烯投產(chǎn)一周年，實(shí)現(xiàn)連續(xù)安全平穩(wěn)生產(chǎn)，無非計(jì)劃停工，乙烯裝置損失率、乙烯能耗、乙烯和雙烯收率等指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)同類裝置先進(jìn)水平，標(biāo)志著我國自主開發(fā)的大型乙烯成套工藝技術(shù)和國產(chǎn)乙烯核心設(shè)備獲得成功，我國大型乙烯國產(chǎn)化取得歷史性突破。

武漢乙烯是首套運(yùn)用中國石化自主研發(fā)的大型乙烯成套工藝技術(shù)、首次同時實(shí)現(xiàn)乙烯核心設(shè)備乙烯三機(jī)全部國產(chǎn)的大型乙烯項(xiàng)目，此前我國的大型乙烯項(xiàng)目多進(jìn)口國外成套工藝技術(shù)，乙烯三機(jī)僅一機(jī)使用國產(chǎn)設(shè)備。此外，武漢乙烯設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到87%，是國內(nèi)整體設(shè)備國產(chǎn)化率最高的大型乙烯項(xiàng)目。乙烯成套工藝技術(shù)從引進(jìn)到消化吸收再到自主創(chuàng)新，我國用了半個世紀(jì)的時間。乙烯成套工藝技術(shù)是石化產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量最高、最復(fù)雜的技術(shù)之一，攻關(guān)成功十分不易。 (金戈)

Investigation on Friction Stir Welding of 5083-O Aluminum Alloy Thick Plate for Pressure Vessel Production

Li Haishan Yu Longhua Ma Yanchao Zhang Bin Jin Jian

Welded the pressure vessel made from 5083-O aluminum alloy thick plate by using friction stir welding,carried out the tensile tests for the joints welded with different parameters by universal testing machine and picked out the one with optimum mechanical properties,then analyzed the microstructure and surface morphology of the joint by optical microscope.The experimental results showed that the tensile strength was up to 296 MPa under the welding speed of 50 mm/min and the rotation speed of 1800 r/min.Meanwhile,the surface of the welding was smooth and the interface bonded well.

Pressure vessel;Friction stir welding;Aluminum alloy;Welding speed;Rotation speed;Tensile test

TG 453

2014-01-15）

*李海山，男，1979年生，工程師。大連市，116013。