第３５卷第５期 ２０１４年１０月 化工装备技术 ２７ 压力容器用铝合金５０８３—０厚板搅拌摩擦焊研究 李海山 于龙华 马延超 张斌金健 （大连市锅炉压力容器检验研究院） 摘 要 采用搅拌摩擦焊对５０８３一Ｏ厚板铝制压力容器进行了焊接，焊后用万能试验机对不 同参数的接头进行了拉伸试验，并使用光学显微镜对焊接接头组织和表面形貌进行了分析。 结果表明：在焊接速度５０ ｍｍ／ｍｉｎ、旋转速度１８００ ｒ／ｍｉｎ的情况下，获得的接头拉伸性能 最高可达到２９６ ＭＰａ；同时焊缝表面平整规则，界面结合良好。 关键词 压力容器 搅拌摩擦焊中图分类号ＴＧ ４５３ 铝合金焊接速度旋转速度拉伸试验 Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ５０８３－０ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｔｈｉｃｋ Ｐｌａｔｅ ｆｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉ Ｈａｉｓｈａｎ Ｙｕ Ｌｏｎｇｈｕａ Ｍａ Ｙａｎｃｈａｏ Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎ Ｊｉｎ Ｊ／ａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｌｄｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ５０８３—０ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｔｈｉｃｋ ｐｌａｔｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｃｔｒｉｏｎ 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 ｍｒｎ／ｍｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ １ ８００ ｒ／ｍｉｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗａｓ ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｏｎｄｅｄ ｗｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ；Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；Ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ；Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ；Ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔ 严格防火的压力容器（如液体罐车、冷藏车、冷藏 ０前言 集装箱）。目前，国内外通常是采用传统的熔焊方 法（如ＭＩＧ、ＴＩＧ等）来对铝合金进行焊接的，为了 提高焊接接头的性能．采取的方法主要是选用强度 搅拌摩擦焊是英国焊接中心于１９９１年发明的 一种新型固态连接技术．它能很好地焊接一般熔焊 不能焊接的高强度铝合金。作为新兴焊接技术的搅 拌摩擦焊不仅可以应用于机车制造、航空航天等方 面，也可以应用于铝合金制压力容器（纵焊缝）的 更高的焊丝来进行焊接。搅拌摩擦焊方法不仅能够 实现铝合金的焊接，而且还具有节能、环保、操作 简单等特点，因而搅拌摩擦焊技术将逐步应用到压 力容器制造领域【】－８］。 焊接。５０８３铝合金中的主要合金元素为镁．具有 良好的抗蚀性、可焊接性以及中等的强度。优良的 铝合金５０８３—０厚板是压力容器常用的材料。 抗腐蚀性能使５０８３铝合金广泛应用于海事用途， 如船舶等，也应用于汽车、飞机的焊接件，以及需 李海山，男，１９７９年生，工程师。大连市，１１６０１３。 但搅拌摩擦焊在压力容器行业至今还未得到广泛的 应用。为了研究这项新技术，本课题做了多方面相 ２８ 化工装备技术 第３５卷第５期 关的研究。本课题详细研究了１０ ｍｍ厚铝合金 ５０８３—０搅拌摩擦焊接头的显微组织、表面形貌和 力学性能，得到了１０ ｍｍ厚板５０８３—０的最佳工艺 参数．以促进搅拌摩擦焊这种先进的连接技术在压 力容器行业的应用。 １ 试验材料与方法 表３焊接速度５０ ｍｍ／ｍｉｎ时不同旋转速度下接头抗拉强度 转速度较低时．焊接热输入较少，尤其对于厚板来 说．其热输入量不足以使焊接区金属达到热塑性状 态。材料不能充分流动，因而焊缝成形不好，甚至 试验选 １０ ｍｍ厚的５０８３—０销合金．试件 寸为２００ ｍｍｘ１００ ｍｍＸ１０ ｍｍ，其化学成分见表ｌ， 在焊缝区存在焊接缺陷，使得接头抗拉强度较小。 ２．２显微硬度 力学性能见表２。采用搅拌摩擦焊机对铝板进行焊 接．焊接时选用圆台型带螺纹搅拌针。该焊机搅拌 头的 寸为：轴肩直径２５ ｍｍ，搅拌针长９．２ ｍｍ， 其中轴肩倾角２。，下压量４ ｍｍ。焊前使用丙酮去 除工件油污，并将其刚性同定在垫板上。焊接参数 用ＦＭ一７００型显微维氏硬度仪对试样进行硬度 试验，其硬度分布曲线如图１所示。ｍ图ｌ可以看 出，沿焊缝横截面硬度的分布呈Ｗ形，焊缝区硬 度比母材低．在焊缝区焊核区硬度最高。 ０５ 为：焊接速率５０ ｍｍ／ｍｉｎ，旋转速度８００～２０００ ｒ／ｍｉｎ ９４至。９。１ 越Ｂｇ ８７ ｅｓ Ｓ３ ８２Ｂ１ ８０ 图１ ５０８３—０铝合金焊接接头显微硬度分布曲线 ２－３显微组织 焊后利ｆ｝ｊ万能试验机对不同参数的接头进行了 ５０８３—０铝合金在焊接速度５０ ｍｍ／ｍｉｎ、旋转 速度１８００ ｒ／ｍｉｎ下获得的焊接接头的显微组织如 图２所示。 拉伸试验 选择力学性能最佳的焊件，沿垂直于焊 接方向截取试样，用凯勒试剂对抛光后的试样进行 腐蚀，利用ＯＬＹＭＰＵＳ—ＢＸ５１Ｍ光学显微镜观察试 样的微观组织。还使用 微硬度仪对试样的横截面 进行了硬度测试。 ２试验结果与分析 ２．１ 拉伸试验 埘焊接速度５０ ｍｍ／ｍｉｎ时不同旋转速度下的焊 接接头进行拉伸试验。从表３中的拉伸试验结果可 （ａ）母材 （ｂ）热影响区 以看｝ｆ｛，旋转速度为ｌ８００ ｒ／ｍｉｎ时，接头的抗抟强 度达到最大值２９６ ＭＰａ，为母材抗拉强度的 ８９．７％。当旋转速度大于１８００ ｒ／ａｉｒｎ时．即旋转速 度继续增大，接头的抗拉强度反而降低。这是因为 当旋转速度过高时，过多的热输入使焊缝组织发生 一一 （ｃ）热机影响区与焊核交界处 （ｄ）焊核区 图２ ５０８３—０铝合金焊接接头显微组织 过烧现象，从而导致接头的抗拉强度下降。而当旋 ２０１４年１０月 李海山等：压力容器用铝合金５０８３—０厚板搅拌摩擦焊研究 ２９ 由图２（ａ）可以看出，原始母材组织由于轧制 而晶粒变长。图２（ｂ）为热影响区，该区域没有 【２］Ｔａｎｇ Ｗ，Ｇｕｏ Ｘ，Ｍｃｃｌｕｒｅ Ｊ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ【Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ 受到搅拌头的机械搅拌作用，但在焊接过程中由于 受到了焊接热循环的作用而导致该区的原始带状组 织消失，并且晶粒粗大。图２（ｃ）为热机影响区 Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９８，７（２）：１６３－１７２． 【３］ 傅志红，黄明辉，周鹏展，等．搅拌摩擦焊接技术研究进展 ［Ｊ］．焊接，２００２（１１）：６—１０． Ｉ４］ 王快社，王训宏，沈洋，等．搅拌摩擦焊接过程的非稳态 流场及影响因素［Ｊ］．西安工业学院学报，２００５，２５ （２）：１５８－１５９． 【５］ Ｃａｍｐｂｅｌｌ Ｇｌｅｎｎ，Ｓｔｏｔｌｅｒ Ｔｉｍ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ａｒｍｏｒ ｇｒａｄｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ【Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ， 与焊核的交界区。与接头其它区域相比，热机影响 区在剧烈变化的粘附力和焊接热循环的综合作用 下．组织变化最为明显．有回复与再结晶晶粒。 图２（ｄ）为焊核区。该区在热机械搅拌作用下， 形成了比母材晶粒更细小的等轴晶。 ３结论 １９９９，７８（１２）：４５—４７． ［６】 Ａｒｂｅｇａｓｔ Ｗ Ｊ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｆｔｅｒ ａ ｄｅｃａｄｅ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊ，２００６（３）：２８． 【７】 曹朝霞，刘书华，王德庆，等．搅拌摩擦焊工艺［Ｊ】．大 连铁道学院学报，２００２，２３ ｆ４）：６７—７０． ［８】 贺永海，张立武．搅拌摩擦焊用搅拌头的研究进展［Ｊ］． 航天制造技术，２００５ ｆ５１：４７—５１． （１）实现了１０ ｍｍ厚的５０８３一Ｏ铝合金搅拌摩 擦焊焊接，焊接接头成形良好，表面光滑，没有出 现飞边、沟槽等缺陷．背部焊合良好。 （２）当焊接速度一定（５０ ｍｍ／ｍｉｎ）时，随着旋 转速度的增大，接头焊核区的晶粒变得更加细小， 接头抗拉强度也随之增大。当旋转速度为１８００ ｒ／ｍｉｎ时，晶粒最小，接头抗拉强度也达到最大值， ［９】 Ｓｅｉｄｅｌ Ｔ Ｕ．Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｌｏｗ ｉｎ ＡＡ２１９５ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍａｒｋｅｒ ｉｎｓｅｒｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆＪ］． Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００１，３２Ａ （１１）：２８７９－２８８４． ［１０】中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（第一卷）：焊 接方法与设备『Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００１． 『ｌ１１刘小文，谷建军，马彩霞．防锈铝搅拌摩擦焊接超塑 为母材抗拉强度的８９．７％。当旋转速度继续增大 时，晶粒反而长大，接头抗拉强度也随之降低。 （３）接头显微硬度沿焊缝横截面近似呈Ｗ形 分布。即焊缝中心区域硬度最高，热机影响区和热 影响区的过渡区硬度最低。 性行为研究［Ｊ］．科技咨询导报，２００７（３０）：３０—３１． 『１２１ Ｙｉｎｇ Ｌｉ，Ｍｕｒｒ Ｌ Ｅ，ＭｃＣｌｕｒｅ Ｊ Ｃ．Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｆｌｏｗ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ２０２４Ａ１ ｔｏ ６０６１Ａ１［Ｊ］．Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒ，１９９９，４０（９）：１０４１－１０４６． 『１３１王快社，王训宏，沈洋，等．搅拌摩擦焊技术的最新进展 （４）分析５０８３一Ｏ铝合金的搅拌摩擦焊接头显 微组织发现．由于搅拌过程中发生了动态回复和动 态再结晶。使得焊核区的晶粒得到充分的细化和均 匀化。 参考文献 ［１］ 周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接【Ｍ］．北京：机械 工业出版社．２００６：３２８—３２９． ｆＪ１．热加工工艺，２００４（１Ｏ）：５３—５５． 【１４］黄华，董仕节，刘静，等．铝合金双面搅拌摩擦焊初步研 究［Ｊ】．特种铸造及有色合金，２００６，２６（７）：４００—４０２． 【１５】余汉清，陈金德．金属塑性成型原理［Ｍ】．北京：机械 工业出版社．２００２：２２—２３． 【ｌ６１栾国红，郭德伦，张田仓，等．铝合金的搅拌摩擦焊 ［Ｊ］．焊接技术，２００３，３２（１）：１－４． （收稿１３期：２０１４一叭一１５） 乙烯兰 我国大型乙烯工艺设备靠进口的历史将改写 主薹篡 尊 实现乙烯核心设备乙烯三机全部国产的大型乙烯项 目．此前我国的大型乙烯项目多进口国外成套工艺 备依靠进１２的历史将改写。２０１４年８月中旬，国产 化程度最高的大型乙烯项目——武汉８０万ｔ／ａ乙 烯投产一周年，实现连续安全平稳生产，无非计划停 工，乙烯装置损失率、乙烯能耗、乙烯和双烯收率等 技术，乙烯三机仅一机使用国产设备。此外，武汉乙 烯设备国产化率达到８７％。是国内整体设备国产化 指标均达到国内同类装置先进水平。标志着我国自 主开发的大型乙烯成套工艺技术和国产乙烯核心设 率最高的大型乙烯项目。乙烯成套工艺技术从引进 到消化吸收再到自主创新．我国用了半个世纪的时 间。乙烯成套工艺技术是石化产业技术含量最高、 最复杂的技术之一，攻关成功十分不易。 （金戈） 备获得成功，我国大型乙烯国产化取得历史性突破。 武汉乙烯是首套运用中国石化自主研发的大型
