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研究院)

采用攪拌摩擦焊對5083-O厚板鋁制壓力容器進行了焊接，焊后用萬能試驗機對不同參數的接頭進行了拉伸試驗，并使用光學顯微鏡對焊接接頭組織和表面形貌進行了分析。結果表明：在焊接速度50 mm/min、旋轉速度1800 r/min的情況下，獲得的接頭拉伸性能最高可達到296 MPa；同時焊縫表面平整規則，界面結合良好。

壓力容器 攪拌摩擦焊 鋁合金 焊接速度 旋轉速度 拉伸試驗

0 前言

攪拌摩擦焊是英國焊接中心于1991年發明的一種新型固態連接技術，它能很好地焊接一般熔焊不能焊接的高強度鋁合金。作為新興焊接技術的攪拌摩擦焊不僅可以應用于機車制造、航空航天等方面，也可以應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度。優良的抗腐蝕性能使5083鋁合金廣泛應用于海事用途，如船舶等，也應用于汽車、飛機的焊接件，以及需嚴格防火的壓力容器 （如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱）。目前，國內外通常是采用傳統的熔焊方法 （如MIG、TIG等）來對鋁合金進行焊接的，為了提高焊接接頭的性能，采取的方法主要是選用強度更高的焊絲來進行焊接。攪拌摩擦焊方法不僅能夠實現鋁合金的焊接，而且還具有節能、環保、操作簡單等特點，因而攪拌摩擦焊技術將逐步應用到壓力容器制造領域[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至今還未得到廣泛的應用。為了研究這項新技術，本課題做了多方面相關的研究。本課題詳細研究了 10 mm厚鋁合金5083-O攪拌摩擦焊接頭的顯微組織、表面形貌和力學性能，得到了10 mm厚板5083-O的最佳工藝參數，以促進攪拌摩擦焊這種先進的連接技術在壓力容器行業的應用。

1 試驗材料與方法

試驗選用10 mm厚的5083-O鋁合金，試件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，其化學成分見表1，力學性能見表2。采用攪拌摩擦焊機對鋁板進行焊接，焊接時選用圓臺型帶螺紋攪拌針。該焊機攪拌頭的尺寸為：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。焊接參數為：焊接速率 50 mm/min，旋轉速度 800～2000 r/min。

表1 5083-O鋁合金化學成分 (%)

焊后利用萬能試驗機對不同參數的接頭進行了拉伸試驗。選擇力學性能最佳的焊件，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行腐蝕，利用OLYMPUS-BX51M光學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行了硬度測試。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗

對焊接速度50 mm/min時不同旋轉速度下的焊接接頭進行拉伸試驗。從表3中的拉伸試驗結果可以看出，旋轉速度為1800 r/min時，接頭的抗拉強度達到最大值 296 MPa，為母材抗拉強度的89.7%。當旋轉速度大于1800 r/min時，即旋轉速度繼續增大，接頭的抗拉強度反而降低。這是因為當旋轉速度過高時，過多的熱輸入使焊縫組織發生過燒現象，從而導致接頭的抗拉強度下降。而當旋轉速度較低時，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金屬達到熱塑性狀態，材料不能充分流動，因而焊縫成形不好，甚至在焊縫區存在焊接缺陷，使得接頭抗拉強度較小。

表3 焊接速度50 mm/min時不同旋轉速度下接頭抗拉強度

2.2 顯微硬度

用FM-700型顯微維氏硬度儀對試樣進行硬度試驗，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，焊縫區硬度比母材低，在焊縫區焊核區硬度最高。

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，該區域沒有受到攪拌頭的機械攪拌作用，但在焊接過程中由于受到了焊接熱循環的作用而導致該區的原始帶狀組織消失，并且晶粒粗大。圖2（c）為熱機影響區與焊核的交界區。與接頭其它區域相比，熱機影響區在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環的綜合作用下，組織變化最為明顯，有回復與再結晶晶粒。圖2（d）為焊核區。該區在熱機械攪拌作用下，形成了比母材晶粒更細小的等軸晶。

3 結論

（1）實現了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，沒有出現飛邊、溝槽等缺陷，背部焊合良好。

（2）當焊接速度一定 （50 mm/min）時，隨著旋轉速度的增大，接頭焊核區的晶粒變得更加細小，接頭抗拉強度也隨之增大。當旋轉速度為 1800 r/min時，晶粒最小，接頭抗拉強度也達到最大值，為母材抗拉強度的89.7%。當旋轉速度繼續增大時，晶粒反而長大，接頭抗拉強度也隨之降低。

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

（4）分析5083-O鋁合金的攪拌摩擦焊接頭顯微組織發現，由于攪拌過程中發生了動態回復和動態再結晶，使得焊核區的晶粒得到充分的細化和均勻化。

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我國大型乙烯工藝設備靠進口的歷史將改寫

我國大型乙烯工藝和設備依靠進口的歷史將改寫。2014年8月中旬，國產化程度最高的大型乙烯項目——武漢80萬t/a乙烯投產一周年，實現連續安全平穩生產，無非計劃停工，乙烯裝置損失率、乙烯能耗、乙烯和雙烯收率等指標均達到國內同類裝置先進水平，標志著我國自主開發的大型乙烯成套工藝技術和國產乙烯核心設備獲得成功，我國大型乙烯國產化取得歷史性突破。

武漢乙烯是首套運用中國石化自主研發的大型乙烯成套工藝技術、首次同時實現乙烯核心設備乙烯三機全部國產的大型乙烯項目，此前我國的大型乙烯項目多進口國外成套工藝技術，乙烯三機僅一機使用國產設備。此外，武漢乙烯設備國產化率達到87%，是國內整體設備國產化率最高的大型乙烯項目。乙烯成套工藝技術從引進到消化吸收再到自主創新，我國用了半個世紀的時間。乙烯成套工藝技術是石化產業技術含量最高、最復雜的技術之一，攻關成功十分不易。 (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。