CN111331242B - 一种搅拌摩擦焊整体壁板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊整体壁板及其生产方法，本发明的搅拌摩擦焊整体壁板在进行焊接之前先经过预处理，以提高产品的抗腐蚀性能。同时，本发明通过对焊接工艺、搅拌头结构及焊接参数等的优化，制备出的搅拌摩擦焊整体壁板具有较好的力学性能和抗腐蚀性能，其抗拉强度可以达到384MPa，屈服强度277MPa，延伸率14％，且弯曲180°不开裂，晶间腐蚀损耗质量不大于3mg/cm²，抗剥落腐蚀在PB级以上。

Description

一种搅拌摩擦焊整体壁板及其生产方法

技术领域

本发明属于船体用铝合金型材技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊整体壁板及其生产方法。

背景技术

铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆钉连接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用。基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本及环境保护等方面的巨大优势，国内外越来越多的技术人员开始研究搅拌摩擦焊在铝合金焊接上的应用。

铝合金船体焊接是国内船舶制造业的一个棘手问题，船舶和海洋工业是国际上最早将搅拌摩擦焊用于产品制造生产的行业，国外主要船舶制造厂已经将搅拌摩擦焊应用于船舶甲板、侧墙、内外隔墙壁板和地板、生活舱体、上层建筑、直升机升降平台、离岸建筑等结构的制造。由于搅拌摩擦焊在大型船舶壁板拼接制造中的巨大优势，并有可能形成新兴制造产业，中国搅拌摩擦焊中心大力发展铝合金壁板的搅拌摩擦焊制造，在工艺、设备及批量化生产等技术环节上已经取得一定成果。然而，国内船舶制造业铝合金船体焊接仍然存在焊接时容易出现气孔、裂纹等问题，以致于影响生产出的铝合金壁板的力学性能和抗腐蚀性能。

采用搅拌摩擦焊技术对铝合金宽幅壁板进行焊接制成整体壁板，焊接接头的薄弱区域，如焊缝、热影响区等焊接性能有较大影响，从而影响整体壁板性能的优劣。而搅拌头结构、焊接参数(主轴转速、焊接速度等)是影响焊接性能的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于通过对搅拌摩擦焊焊接工艺、搅拌头结构及焊接参数的优化，提供一种力学性能及抗腐蚀性能良好的搅拌摩擦焊整体壁板及其生产方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种搅拌摩擦焊整体壁板的生产方法，包括以下步骤：

步骤1，板材预处理：搅拌摩擦焊焊接之前，将带筋板材进行稳定化热处理，依次经过中间退火→展平、矫直→稳定化退火操作；

步骤2，搅拌摩擦焊接：将经过预处理的带筋板材按长度方向对齐、固定，之后进行搅拌摩擦焊接成整体壁板，并根据需要调整焊接参数；

步骤3，性能检验：对搅拌摩擦焊接的整体壁板进行性能测试，以使其满足应用需求。

所述步骤1中中间退火的条件为：在温度280～425℃下退火处理5～10h。

所述步骤1中展平、矫直在50℃以下操作，且控制拉伸率不超过1.5％。

所述步骤1中稳定化退火条件为：在温度450～510℃下退火处理12～24h。

所述步骤2中焊接参数为搅拌头结构、搅拌转速、焊速中的至少一种。

所述步骤3中性能测试为力学性能测试、抗腐蚀性能测试和X射线探伤。优选地，搅拌头结构为单圆环结构或双螺旋结构或三螺旋结构，搅拌转速为800～1100r/min，焊速为400～800mm/min。

更优选地，搅拌头为三螺旋结构，搅拌转速为1000r/min，焊速为600mm/min。

本发明还提供一种按上述生产方法生产的搅拌摩擦焊整体壁板，其由多根整体挤压成型的双筋带筋板拼接并搅拌摩擦焊接而成，双筋带筋板由条形基板和两个对称设置的T型加强筋通过模具进行整体挤压而成。

进一步地，所述加强筋上端设有凸边。

与现有技术相比，本发明生产方法技术效果主要体现在：通过对带筋板进行预处理后再进行搅拌摩擦焊接，同时优化焊接参数，本发明制备的搅拌摩擦焊整体壁板具有优异的力学性能和抗腐蚀性能，各项指标远高于GB/T26006-2010“船用铝合金挤压管、棒、型材”和GB/T 22641-2008“船用铝合金板材”中的规定，且比进口的俄1561整体壁板性能更好。

采用上述生产方法生产的搅拌摩擦焊整体壁板，其抗拉强度≥378MPa，屈服强度≥233MPa，延伸率≥12％，弯曲180°不开裂，晶间腐蚀损耗质量不大于5mg/cm²，抗剥落腐蚀在PB级以上。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的各搅拌摩擦焊整体壁板的抗剥落腐蚀效果图；

图2为俄1561整体壁板的抗剥落腐蚀效果图；

图3是本发明实施例1提供的一种搅拌摩擦焊整体壁板的断面结构示意图。

其中，11、条形基板，12、T型加强筋，13、凸边，14、焊缝。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

近年来，基于铝合金的焊接特点，国内船舶制造业探讨了各种焊接技术的工艺、设备及应用特点，对MIG焊、TIG焊等焊接工艺开展了专项研究。通过系统研究铝合金的类型、特性及焊接特点，以解决铝合金焊接时容易出现气孔、裂纹等问题。舰船用铝合金材料焊接工艺技术研究内容包括：①焊接方法和工艺参数的研究，通过开展焊接方法、焊接电流、电压、焊接速度、氩气流量等参数对焊接工艺和焊接性能的影响，同时充分考虑施焊环境条件的影响等，确定合适的焊接方法及工艺。通过对焊接接头力学性能、耐腐蚀性能等综合性能、接头组织结构等进行研究和分析，以降低材料焊接热裂敏感性。②焊接接头的性能与组织研究力学性能测试以及影响接头性能的关键因素，从而有针对性的改善合金的焊接性能。

申请人经过多年的研究认为，具有良好性能的整体壁板，需要研究合理的工装卡具设计、优化的搅拌头结构；优化焊接参数，包括主轴转速、焊接速度等工艺参数；焊接接头的性能取决于接头微观组织，对焊接接头进行宏、微观组织分析(金相、扫描电镜、透射电镜等)以及力学性能测试(拉伸、显微硬度等)和腐蚀性能测试，研究影响接头性能的薄弱区域(如焊缝区、热影响区)，以及影响接头性能的关键因素(热裂纹、软化等)，同时，控制合金及焊丝成分中氢含量等，以降低材料焊接热裂敏感性，从而有针对性的改善舰船用铝合金的搅拌摩擦焊接性能。

基于上述研究，本发明提供了一种搅拌摩擦焊整体壁板的生产方法，包括以下步骤：

步骤1，板材预处理：搅拌摩擦焊焊接之前，将带筋板材进行稳定化热处理，依次经过中间退火→展平、矫直→稳定化退火操作。

由于板材制造时合金的主合金元素含量高，在半连续铸造条件下铸锭凝固时会产生大量的非平衡结晶体和晶内偏析情况，针对非平衡结晶相、成分偏析及过渡族元素析出相不均匀分布问题，同时为了减小带筋板材的应力，消除冷作硬化、提高塑性，本步骤中，在搅拌摩擦焊接前，应先对其进行中间退火处理，优选中间退火的条件为：在温度280～425℃下退火处理5～10h。

中间退火处理后，需要对带筋板材进行展平、矫直处理，为了保证制品质量，展平、矫直在50℃以下操作，拉伸率控制在0.5-1.0％，若需要进行二次拉伸时，则累计拉伸率不超过1.5％。

Al-Mg系合金在室温下长期存放，易产生“时效软化”现象，导致板材强度降低，且高Mg含量铝合金会沿晶界连续析出β相，降低合金耐腐蚀性能，因此，本步骤对带筋板材进行展平、矫直处理后，采用稳定化退火处理，这样可以提升Al-Mg系合金的抗腐蚀性能，优选将带筋板材在450～510℃下退火处理5～24h。

步骤2，搅拌摩擦焊接：将经过预处理的带筋板材按长度方向对齐、固定，之后进行搅拌摩擦焊接成整体壁板，并根据需要调整焊接参数。

采用搅拌摩擦焊技术对带筋板进行焊接制成整体壁板，焊接接头的薄弱区域，如焊缝、热影响区等焊接性能有较大影响，从而影响整体壁板性能的优劣，可以通过调整焊接参数来提高搅拌摩擦焊整体壁板的性能。

本步骤中，焊接参数为搅拌头结构、搅拌转速、焊速中的至少一种。

其中所述搅拌头结构为单圆环结构或双螺旋结构或三螺旋结构。

所述搅拌转速为800～1100r/min，所述焊速为400～800mm/min。

本发明通过大量的焊接试验，最终确定上述最佳焊接参数，在此焊接参数下，制备的搅拌摩擦焊整体壁板具有较好的力学性能和抗腐蚀性能，从而有针对性的改善合金的焊接性能。

步骤3，性能检验：对搅拌摩擦焊接的整体壁板进行性能测试，以使其满足应用需求。

为了保证制备的搅拌摩擦焊整体壁板的生产质量，需要对其进行力学性能测试、抗腐蚀性能测试以及X射线探伤检测无隧道缺陷。

其中所述的力学性能包括：

①拉伸性能，铝合金的拉伸力学性能须符合表1-1和1-2的要求。

表1-1 舰船用铝合金板材拉伸力学性能

表1-2 舰船用铝合金整体壁板拉伸力学性能

②弯曲性能

要求舰船用铝合金板材按表1-3规定的弯曲半径进行弯曲试验时，表面不应出现裂纹。

表1-3 舰船用铝合金板材弯曲性能

厚度t mm	弯曲性能(180°弯曲半径)
		1－4	2.5t
5－6	3.5t
		8－12	5t
14－20	6t
		21－40	9t

所述的抗腐蚀性能主要为耐海水腐蚀性能，包括：

①抗剥落腐蚀

按ASTM G66规定的标准方法进行试验，经评定不得出现PC级及更差腐蚀情况，用于船体外板或长期与海水直接接触部位的材料，经抗剥落腐蚀试验，经评定不得出现PB级及更差腐蚀情况。

②抗晶间腐蚀

按ASTM G67规定的标准方法进行试验，损耗质量不大于15mg/cm2；如损耗质量在15mg/cm2～25mg/cm2之间，制备试样需用金相显微镜观察，确定试样没有出现晶间腐蚀。

进一步地，为使配套焊材保证良好的焊接性，焊接接头力学性能应符合表1-4的规定，宏观断面检查应无可见的裂纹、未焊透、气孔和夹杂等缺陷。

表1-4 配套焊材主要性能要求

以下将结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种搅拌摩擦焊整体壁板的生产方法，包括以下步骤：

(1)板材预处理：搅拌摩擦焊接之前，将5E61带筋板材进行稳定化热处理，依次经过中间退火→展平、矫直→稳定化退火操作。

中间退火，在温度280～425℃下退火处理5～10h；待温度降到50℃以下后对其进行展平、矫直，拉伸率控制在0.5-1.0％，若需要进行二次拉伸时，则累计拉伸率不超过1.5％；将5E61带筋板材在450～510℃下退火处理12～24h。各预处理条件如表1所示。

表1 不同预处理条件下所制试样

(2)搅拌摩擦焊：将经过预处理的5E61带筋板材按长度方向对齐、固定，之后进行搅拌摩擦焊接。搅拌头为三螺旋结构，搅拌转速为1000r/min，焊速为600mm/min。

(3)性能检验：对搅拌摩擦焊接的整体壁板进行抗腐蚀性能测试，抗剥落腐蚀结果如图1所示，不同的预处理条件制备的搅拌摩擦焊整体壁板的抗剥落腐蚀均在PB级以上，抗剥落腐蚀性能良好。主要表现为点蚀坑，带筋板的两个面腐蚀程度不同，带筋面腐蚀程度小于非带筋面。抗剥落腐蚀效果如图2所示，评定为PB级。

不同的预处理条件下所制试样的抗晶间腐蚀结果如表2所示，抗晶间腐蚀测试结果如表3所示。

表2 不同的预处理条件下所制试样的抗晶间腐蚀结果

表3 整体壁板抗晶间腐蚀测试结果

表2中所制5个试样的平均失重为2.35mg/cm²，远小于标准值15mg/cm²，且抗晶间腐蚀效果较整体壁板更优异，表明本发明所制备的搅拌摩擦焊整体壁板具有优异的抗晶间腐蚀性能。

实施例2

与实施例1中试样SE3的制备方法相同，不同之处是，本实施例涉及焊接参数对搅拌摩擦焊整体壁板力学性能的影响。不同焊接参数如表4所示，不同焊接参数下制备的搅拌摩擦焊整体壁板力学性能如表5所示。整体壁板的力学性能如表6所示。

表4 不同焊接参数

工艺	搅拌头	转速(r/min)	焊速(mm/min)
				工艺一	双螺旋	1000	800
工艺二	三螺旋	1000	600
				工艺三	双螺旋	1000	700
工艺四	双螺旋	800	600
				工艺五	单圆环	1100	400

表5 不同焊接参数下制备的搅拌摩擦焊整体壁板力学性能

表6 1561整体壁板的力学性能

序号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％
				1	366	225	11.2
2	368	228	12.6
				3	365	213	14.3
4	367	233	16.2
				5	378	208	14.5
标准	≥333	≥186	≥11

从表5中看到，工艺二为最佳工艺，采用工艺二进行多次焊接实验，性能稳定。采用工艺二制备的搅拌摩擦焊整体壁板最大抗拉强度384MPa，屈服强度277MPa，延伸率14％，力学性能优于俄1561整体壁板。采用工艺二成功焊接了3×1500mm×8000mm整体壁板并进行拉伸试验，断裂位置不发生在焊缝区域，表明本方法制备的搅拌摩擦焊整体壁板焊接性能良好。

实施例3

与实施例1中试样SE3的制备方法相同，不同之处是，本实施例研究不同焊接工艺对整体壁板力学性能的影响，结果如表7所示。

表7 不同焊接工艺对整体壁板力学性能的影响

表7表明，采用搅拌摩擦焊焊接工艺制备的整体壁板的抗拉强度明显优于自动TIG平焊焊接的整体壁板。

实施例4

本发明实施例4提供一种搅拌摩擦焊整体壁板，结构如图3所示，整体壁板由多根整体挤压成型的双筋带筋板拼接并通过上述所述的生产方法制备而成，整体壁板的宽度可达1.6m～3.2m，双筋带筋板由条形基板11和两个对称设置的T型加强筋12通过模具进行整体挤压而成。条形基板11的宽度为400mm，厚度3mm，两个对称设置的T型加强筋12之间的距离为200mm，且每个加强筋12距离条形基板11的距离是100mm。加强筋12的厚度为2.5mm，高度为40mm。进一步为提高整体壁板的强度和平面度，在加强筋12上端设有凸边13，凸边13的宽度为40mm，厚度为4mm。两个相邻的双筋带筋板之间有焊缝14，焊缝14为PB级焊接。本实施例中的搅拌摩擦焊整体壁板，宏观断面检查无可见的裂纹、未焊透、气孔和夹杂等缺陷，过X射线检测无隧道缺陷。且其抗拉强度384MPa，屈服强度277MPa，延伸率14％，弯曲180°不开裂，晶间腐蚀损耗质量不大于3mg/cm²，抗剥落腐蚀在PB级以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊整体壁板的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，板材预处理：搅拌摩擦焊焊接之前，将带筋板材进行稳定化热处理，依次经过中间退火→展平、矫直→稳定化退火操作, 所述中间退火的条件为：在温度280~425℃下退火处理5~10h，所述展平、矫直在50℃以下操作，且控制拉伸率不超过1.5%，所述稳定化退火条件为：在温度450~510℃下退火处理12~24h；

步骤2，搅拌摩擦焊接：将经过预处理的带筋板材按长度方向对齐、固定，之后进行搅拌摩擦焊接成整体壁板，并根据需要调整焊接参数，所述焊接参数为搅拌头结构、搅拌转速、焊速中的至少一种，所述搅拌头结构为单圆环结构或双螺旋结构或三螺旋结构，所述搅拌转速为800~1100 r/min，所述焊速为400~800 mm/min；

步骤3，性能检验：对搅拌摩擦焊接的整体壁板进行性能测试，以使其满足应用需求。

2.如权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊整体壁板的生产方法，其特征在于，所述步骤3中性能测试为力学性能测试、抗腐蚀性能测试和X射线探伤。

3.一种按权利要求1-2任一项生产方法生产的搅拌摩擦焊整体壁板，其特征在于：其由多根整体挤压成型的双筋带筋板拼接并搅拌摩擦焊接而成，双筋带筋板由条形基板和两个对称设置的T型加强筋通过模具进行整体挤压而成。

4.如权利要求3所述的搅拌摩擦焊整体壁板，其特征在于：所述加强筋上端设有凸边。

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