搅拌摩擦焊接5083铝合金焊缝组织与性能研究

【摘要】：采用小型搅拌摩擦焊接(FSW)设备,焊接了5083-H321铝合金板材。借助光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)等设备与技术,研究了FSW焊缝各区域的微观组织演变；采用拉伸试验机、显微硬度测试仪、应力腐蚀试验机、扫描电子显微镜(SEM)及动电位扫描仪等设备,研究了FSW焊缝的力学性能、应力腐蚀、剥落腐蚀及电化学行为；探讨了5083铝合金的搅拌摩擦焊接行为。主要研究内容及结果如下： 1.分析了5083铝合金搅拌摩擦焊缝的低倍组织特征及可能形成缺陷的原因。该合金正常的搅拌摩擦焊缝横截面呈现完整的焊核区、热力影响区及热影响区三区形貌。合理的热量传输是获得无缺陷焊缝的根本条件,热量不足导致焊缝摩擦面易形成沿焊接方向的“吻接”缺陷；热量过剩则致使焊缝摩擦面的前进侧易形成“飞边”缺陷及贯穿焊缝内部的“隧道”缺陷。 2.探明了5083铝合金板材FSW焊缝的焊核区、热力影响区及热影响区的微观组织演变规律。经搅拌摩擦焊接后,焊缝焊核区呈现细小的等轴晶形貌,热力影响区晶粒呈现沿流动变形方向伸长形貌,热影响区发生晶粒长大。三区的平均晶粒尺寸分别约为10μm、16μm,50μm;动态再结晶及剧塑性变形是焊核区与热力影响区组织细化的主要原因。焊核区剧塑性变形及动态再结晶的组合行为导致该区域大角度晶界比例增加,在轧制母材中大角度晶界所占比例为37%,而在焊核区大角度晶界所占比例为66%。 3.探明了5083铝合金板材FSW焊缝的力学性能演变规律。5083铝合金焊缝的抗拉强度为306MPa,接近母材的90%,显著高于传统熔焊焊缝强度；延伸率为16.3%,与母材相当；硬度值约为85HV,平均硬度可达母材的90%。相比其它系列铝合金搅拌摩擦焊缝,5083铝合金焊缝硬度分布较均匀。组织细化是焊缝强度较高及延伸率与母材相当的根本原因。 4.研究了5083铝合金板材FSW焊缝的腐蚀性能,探讨了焊缝应力及剥落腐蚀机理。在3.5%NaCl溶液中,焊缝偏心试样的慢拉伸强度为335MPa,达到母材强度的98%；焊缝延伸率为22%,为母材的224%,表明搅拌摩擦焊缝应力腐蚀敏感性小。焊缝在溶液中的断口形貌呈现韧性断裂特征。5083铝合金母材发生了明显的剥落腐蚀,而焊缝摩擦面的热影响区域抗剥落腐蚀性能良好,存在摩擦叠纹的轴肩作用区发生了较严重的剥落腐蚀。叠纹区的粗糙表面导致材料比表面增大,使该区成为易腐蚀区。晶粒细化及第二相均匀分布是焊缝抗腐蚀性能优于母材的本质原因。 5.探讨了5083铝合金搅拌摩擦焊接过程的热效应及温度效应、材料流动行为及组织细化机理。摩擦及剧塑性变形是搅拌摩擦焊的热量来源,热效应导致的温度效应致使焊缝区的最高温度超过500℃。搅拌针螺纹槽内“带状层流”是导致焊缝焊核区形成“洋葱环”形貌的本质原因。搅拌摩擦焊接过程中的剧塑性变形及高温下的动态再结晶是焊缝组织细化的根本原因。