船用5083铝合金带筋板挤压及搅拌摩擦焊工艺研究

窦志家，董 颖，刘施洋，张广明，金文福，王东辉，康 铭

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳111003)

5083是高合金化Al-Mg系合金，其具有不可热处理强化、中等强度和良好的耐腐蚀性等综合性能。5083铝合金产品广泛应用于铝合金船舶结构，如船舶龙骨、船体及上建等部位。目前，国外在大型铝合金船体及上建建造开始逐步推广5083铝合金带筋板及其搅拌摩擦焊接板组产品。为此本次试验结合忠旺集团设备实际情况，对船用5083铝合金带筋板的挤压和搅拌摩擦焊接工艺进行初步工艺研究，以拓宽国内军用及民用船舶建造用结构材料产品。

1 试验材料与方法

试验铸锭采用半连续铸造工艺，其规格为Φ370 mm × 600mm。由于5083铝合金国标范围值具有较大的范围，为此根据相关文献对合金范围进行优化，形成试验成分[1-2]方案，如表1所示。

表1 5083铝合金国标及试验化学成分(质量分数，%)

铸锭经均匀化处理后，采用75MN高精密单动正向挤压设备，进行单幅带筋板工艺试制生产，产品截面如图1所示，试制工艺如表2所示。搅拌摩擦焊接采用ESBA龙门式搅拌焊接设备进行工艺试制，其试制工艺如表3所示，工艺开发试制样品长度为2m。

室温力学性能测试采用日本岛津AG-250KN型电子万能拉伸试验机，并分别对母材及焊后试样进行性能测量，试样选取及试验方法采用ISO 4136标准执行。

图1 产品截面示意图Fig.1 Schematic diagram of the product

表2 铸锭均质制度及挤压试验工艺参数

表3 摩擦搅拌焊试验工艺参数

弯曲试验采用AG-IC50KN型号静态压力试验机做正向弯曲和背向弯曲试验，其中压头半径为14mm，试样的选取及方法按ISO 5173执行，焊接拉伸试样及弯曲试样如图2所示。为保证试验结果具有可比较性及准确性，测试结果采取3个试样的算术平均值。

2 试验结果与分析

2.1 挤压工艺试验结果

经过不同加热温度试验可知，铸锭加热在490℃以上试制，挤压型材表面出现“橘皮”现象，且在型材尖角处出现细微裂纹。在低于470℃挤压虽然制品表面质量良好，但具有较高的变形抗力，提高了设备使用风险，降低了模具使用寿命。在470℃ ～ 490℃内挤压，制品具有良好的尺寸及表面质量。

2.2 搅拌摩擦焊接工艺试验结果

按表3的搅拌摩擦焊接试制工艺方案焊接后(图3)，经检查5083铝合金带筋板具有良好的焊后表面质量，未出现未焊合、飞边等表面缺陷。

(a)摩擦搅拌焊接力学性能示意图 (b)摩擦搅拌焊接弯曲性能示意图图2 产品弯曲试验示意图Fig.2 Schematic diagram of product bending test

(a)摩擦搅拌焊接正面； (b) 摩擦搅拌焊接背面图3 焊后表面效果Fig.3 Surface effect after welding

通过随机多次抽取高倍组织照片(图4)，可以看出，焊缝处焊接组织质量良好，无孔洞等缺陷。

图4 5083铝合金搅拌摩擦焊接焊缝高倍金相组织Fig.4 High-magnification metallographic structureof 5083 aluminum alloy friction stir welding

2.3 产品质量检测试验结果

5083铝合金挤压带筋板材料实测静载性能和标准值如图5所示。焊缝力学性能与转速比变化趋势如图6所示；焊后试样经过180°弯曲试验，如图7所示，其经过正弯及背弯均无裂纹出现，且经过剥落腐蚀测试试样结果为N级。

2.4 挤压工艺分析

材料在正向挤压成型过程中，受到模具等摩擦力作用在材料表面处产生较大的拉应力，当拉应力大于材料表层的抗拉强度时，则制品表面产生裂纹及开裂。而5083合金属于高镁合金，因此在挤压生产过程中具有较大的变形抗力[4]。在初始试验时，为保证设备安全性采用高温方式进行挤压试制生产，由于铸锭加热温度较高，使铸锭表面抗拉应力降低，致使出现开裂现象。随着铸锭温度的降低，铸锭表面抗拉应力升高，制品表面橘皮、开裂与裂纹消失，但铸锭抗力随之增加。因此当铸锭低于470℃时，提高了设备使用危险系数以及设备的能耗。

图5 母材实测力学性能Fig.5 Measured mechanical properties of the base metal

图6 强度与转速与焊速比变化趋势Fig.6 Variation trend of strength, speed and welding speed ratio

(a)试样正弯； (b) 试样背弯图7 弯曲试样照片Fig.7 Photograph of curved specimen

2.5 挤压材料分析

通过挤压材料的试验结果可以看出，材料性能高于标准强度，其中屈服强度均值高于标准14%，抗拉强度均值高于标准强度7%，延伸率均值高于标准50%。

从合金配比上分析，Al-Mg系铝合金中Mg是主要强化元素。因此，根据此次静载性能试验结果表明，可通过对Mg合金元素配比优化进一步提升产品性能值。Mn元素的加入，不仅提高了产品的强度性能，并使Al8Mg5呈均匀沉淀，大幅度提高材料的抗腐蚀性能。同时，微量元素Cr加入与Mn元素形成复合强化相Al12(CrMn)，进一步提高了合金强度和耐蚀性[5]。

从生产工艺上分析，Al-Mg合金属于非热处理强化合金，但可在张力矫直工序环节调节性能。随着矫直拉伸量提高产品的屈服强度提高，而组织中位错密度增加，产生大量的位错缠结，促进腐蚀裂纹形核，致使腐蚀敏感性增加[6]。考虑到产品实际应用情况，以及后续焊接加工工艺的影响，产品在实际生产中采用相对较小的拉伸量，使材料具有良好的耐腐蚀性，同时具有中等强度的综合性能。

2.6 搅拌摩擦焊接分析

经不同焊接工艺方案性能测试可以看出，试样经过正向和背向180°弯曲后均无裂纹及开裂现象。但随着转焊接比值的增加，焊缝抗拉强度逐步降低，其中比值在2.5～5.0时抗拉强度降低较快，在比值在5.0以上焊缝强度降低速率放缓。从与母材强度比值上来看，转焊比为2.5～10.0时，焊后抗拉强度与母材的比值从99.87%降低至91.36%。而搅拌摩擦焊热输入主要取决于转焊比，因此在焊接此类非热处理强化合金时，在保证焊缝强度和焊接可行性的条件下，应减少焊接热输入可选用较小的转换比值。

3 结论

1)通过挤压工艺现场试制与调整，3#和4#生产工艺方案符合产品生产工艺需求，挤压制品具有良好的表面效果和综合性能；

2)通过对材料合金配比优化及拉伸量控制，预计可大幅提高产品的性能强度，但应考虑抗腐蚀性问题做进一步优化；

3)通过摩擦搅拌焊接试制与调整，1#方案为优选方案，满足具有良好综合性能，又具有良好工艺生产效率的要求。