CN110387492A - 一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法 - Google Patents

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姜星旭
韦刚
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Abstract

本发明公开了一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法，经合金成分设计、调控，再进行热处理、加工，可使铝材表现出优良的抗应力腐蚀性能，同时保持较好的力学性能，并利用搅拌摩擦焊接(FSW)进行连接，使焊接接头保持较高的耐腐蚀性能，其最终产品应用于对应力腐蚀性能要求苛刻的海洋船舶制造。

Description

一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法，其最终产品应用于对应力腐蚀性能要求苛刻的海洋船舶制造。
背景技术
5系铝合金具有较高强度，良好的塑性，是制作船板、船外壳的重要材料，适合应用于船舶工业。然而合金在焊接过程中会发生变化，通常会影响接头的抗应力腐蚀能力；海水又具有一定的腐蚀性，铝材结构件在运行过程中受到应力作用时，较容易发生应力腐蚀开裂，进而引起严重后果。因此，有必要研究一种提高5系铝合金抗腐蚀性能的方法，并使其在焊接后仍具有较强的耐腐蚀性能。
为提高铝合金的的力学性能和腐蚀性能，发现添加微量Sc、Zr元素，会形成细小的Al3Sc、Al3(Sc，Zr)相，从而抑制β相的形成，达到改善合金的抗腐蚀性能并显著提高合金综合性能的目的。近年来，价格更低的Er元素被发现和Sc元素具有相似的效果，对Er元素的研究逐渐增多。在AA5083合金中添加0.28％wt.Er并经225℃退火4h处理后，合金表现出良好的抗腐蚀性能、更高的强度和伸缩率，认为添加Er形成的Al3Er粒子能有效细化晶粒和抑制再结晶过程，在合金中形成均匀且不连续的β相，从而提高合金的耐腐蚀性能。虽然稀土元素Sc、Zr、Er的作用效果明显，但价格相对较高，出于成本因素的考虑，还未将这些合金元素广泛用于船舶用铝合金。
对于AA5083合金的焊接，目前工程上主要采用MIG焊接，存在热输入量过大，易发生翘曲、变形和接头软化等问题。搅拌摩擦焊接作为一种固态连接方法，是AA5083焊接极具发展性的选择。
改变Zn含量、热处理及加工工艺对AA5083合金抗应力腐蚀能力的影响，制备出抗应力腐蚀性能的铝合金，并应用FSW技术实现连接。对于实现船舶行业的绿色制造、轻量化和运行安全具有重大意义，为船舶用铝合金腐蚀性能评估和优化奠定技术基础。这对我国海军国防和海洋运输行业显得尤为重要，具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法，其最终产品应用于海洋船舶制造。本发明经合金成分设计、调控后，再进行热处理、加工，并利用搅拌摩擦焊接连接，可显著提高铝材焊缝的抗应力腐蚀能力，保持良好的力学性能。
本发明提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法，包括如下步骤：
步骤1：调控合金成分，提高Zn含量至0.3wt％以上；
步骤2：通过均热处理获得合金铸锭；
步骤3：将所得合金铸锭通过常规方法加工成板材；
步骤4：将轧制的板材利用FSW技术进行焊接。
进一步地，合金成分在常规合金成分的基础上，调控Zn含量为0.3～1wt％，降低Al含量，其他合金成分含量不变。
步骤2中，均热处理温度为610～630℃，保温时间为8～16h；进一步优选为610℃下均热处理16h。
步骤3中，可以采用热轧加工或冷轧加工的方式制备板材，冷轧加工获得材料的力学性能更好。
步骤4中，根据板材的不同厚度及搅拌针的差异选择合适的焊接参数。
本发明获得铝材的抗拉强度≥320MPa。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提供的铝材在调控合金成分及热处理后，使得该合金在保持其他性能的前提下有效的提升了耐应力腐蚀性能。
2、本发明的方法通过搅拌摩擦焊接5系铝合金，保持了合金的耐腐蚀性能，在海水腐蚀环境下不易发生脆性断裂，该法对于5系铝材普遍适用，工业上容易实现，适用范围广。
附图说明
图1为实施例1中不同含锌量铝材表面第二相分布图。(1-1)为不含Zn的5083板材的第二相分布；(1-2)为含Zn量0.5wt％的5083板材的第二相分布。
图2为实施例2中不同含锌量铝材表面第二相分布图。(2-1)为含Zn量0.25wt％的5083板材的第二相分布；(2-2)为含Zn量0.75wt％的5083板材的第二相分布。
图3为实施例1中不同含锌量铝材SSRT断口形貌图像。(1-1)为不含Zn的FSW接头断口形貌；(1-2)为含Zn量0.5wt％的FSW接头断口形貌
图4为实施例2中不同含锌量铝材SSRT断口形貌图像。(2-1)为含Zn量0.25wt％的FSW接头断口形貌；(2-2)为含Zn量0.75wt％的FSW接头断口形貌。
图1、图2中可以看出，加入Zn元素后，基体中连续的β(Al3Mg2)相向τ(Mg32(Al,Zn)49)相的发生转变，τ相分布的更弥散，有利于增加铝合金的耐腐蚀性；图3、图4可以看出，加入Zn元素后的铝合金试样慢应变速率拉伸断口的韧窝更多、更深，可以证明加入Zn元素后，可以防止5铝合金的应力腐蚀脆性断裂。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
熔炼不同Zn含量(0～0.75wt.％)的AA5083铝合金，作为研究对象。
实施例1：
1、样品1-1不含Zn；样品1-2含Zn量0.5wt％，经均热处理，温度为610℃，保温时间为18h；
2、热轧至2mm，初轧温度475℃，终轧温度320℃，对轧辊加热，温度控制在105℃以上。
3、将板材线切割成慢应变速率拉伸(SSRT)试样，在模拟海水腐蚀环境的3.5wt.％NaCl溶液中进行SSRT试验。
试验完成后，测得1-1样品和1-2样品力学性能数据如表2中所示。断后延伸率，分别为15％和34％，以及抗拉强度，分别为301MPa和323MPa。相比样品1-1，样品1-2的抗拉强度提升7.3％，断后延伸率提高127％；拉伸试验断裂时间增加39h；说明添加一定的Zn元素、并进行均热处理，对5系铝材的抗应力腐蚀性能有显著改善作用，并且可以保证搅拌摩擦焊接接头的耐腐蚀性能。
实施例2：
1、样品2-1含Zn量0.25wt.％；样品2-2含Zn量0.75wt.％，经均热处理，温度为500℃，保温时间为8h；
2、热轧至2mm，初轧温度475℃，终轧温度320℃，对轧辊加热，温度控制在105℃以上。
3、将板材线切割成慢应变速率拉伸(SSRT)试样，在模拟海水腐蚀环境的3.5wt.％NaCl溶液中进行SSRT试验。
试验完成后，测得力学性能数据如表2中所示。测量2-1样品和2-2样品母材的断后延伸率，分别为19％和18％，以及抗拉强度分别为298MPa和297MPa。相比不添加Zn的样品，2-1，样品2-2的拉伸试验断裂时间增加15h和7h，抗应力腐蚀性能明显增加；说明在一定范围内增加Zn含量及均热处理对5系铝材抗应力腐蚀性能有改善作用，并且可以保证搅拌摩擦焊接接头的耐腐蚀性能。
表1实施例1-2中合金成分(wt％)
样品编号 Mn Mg Cr Zn Si Fe Al
1-1 0.70 4.47 0.152 0.00 ＜0.02 ＜0.02 余量
1-2 0.71 4.48 0.146 0.5 ＜0.02 ＜0.02 余量
2-1 0.70 4.50 0.152 0.25 ＜0.02 ＜0.02 余量
2-2 0.68 4.49 0.151 0.75 ＜0.02 ＜0.02 余量
表2实施例1-2中工艺参数及试验结果
通过表1、表2的数据可以看出：在增加Zn含量后，AA5083铝合金的抗拉强度和断裂时间均有所增长。因为Zn元素可以促进Al基体中β(Al3Mg2)相向τ(Mg32(Al,Zn)49)相的转换，降低与Al基体的电位差，增加铝合金的耐腐蚀性能；对铸锭进行均热处理后，可使合金中的第二相细化，分布均匀，从而提高合金的耐腐蚀性能。说明在一定范围内增加Zn含量及均热处理对5系铝材抗应力腐蚀性能有改善作用，并且可以保证搅拌摩擦焊接接头的耐腐蚀性能。
与现有技术相比，本发明提供了一种耐应力腐蚀的5系铝材，其最终产品应用于海洋船舶制造，经合金成分设计、调控增加Zn含量，再进行均热处理、轧制，可使铝材具备优异的抗应力腐蚀性能，保持良好的力学性能；并利用搅拌摩擦焊接连接，可显著提高铝材焊缝的抗应力腐蚀能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高5系铝合金焊接接头抗应力腐蚀性能的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：调控合金成分，提高Zn含量至0.3wt％以上；
步骤2：通过均热处理获得合金铸锭；
步骤3：将所得合金铸锭通过常规方法加工成板材；
步骤4：将轧制的板材利用FSW技术进行焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤1中，合金成分在常规5系铝合金合金成分的基础上，调控Zn含量为0.3～1wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤2中，均热处理温度为610～630℃，保温时间为8～16h。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
均热处理温度为610℃，保温时间为16h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤4中，根据板材的不同厚度及搅拌针的差异选择合适的焊接参数：
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