【摘 要】
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在铝合金摩擦搅拌焊接（FSW）过程中,由于材料在两侧流动方式不同,焊缝各区组织结构产生差异,焊缝甚至材料整体会产生残余应力。对于异种铝合金的FSW焊接,由于两侧材料的成分和物理性能不同,组织结构的差异会更为明显且更易产生较大的残余应力,而残余应力的大小和分布直接影响着工件的耐腐蚀性能,限制了铝合金FSW焊接构件的进一步应用。因此,研究异种铝合金板材FSW焊接残余应力分布以及残余应力对腐蚀性能的影响
【基金项目】
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广东省自然科学基金项目； 广东省科技计划项目；
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在铝合金摩擦搅拌焊接（FSW）过程中,由于材料在两侧流动方式不同,焊缝各区组织结构产生差异,焊缝甚至材料整体会产生残余应力。对于异种铝合金的FSW焊接,由于两侧材料的成分和物理性能不同,组织结构的差异会更为明显且更易产生较大的残余应力,而残余应力的大小和分布直接影响着工件的耐腐蚀性能,限制了铝合金FSW焊接构件的进一步应用。因此,研究异种铝合金板材FSW焊接残余应力分布以及残余应力对腐蚀性能的影响在其焊接结构的安全性和可靠性等方面意义重大。本文采用摩擦搅拌焊法（FSW）焊接5083/6016异种及5083和6016同种铝合金板材。基于Ansys软件通过数值分析法估算了FSW6016同种铝板的表层残余应力分布;采用Proto-i XRD残余应力测试仪和显微硬度计研究了异种及同种铝板表层的残余应力分布和硬度分布,对比分析了异种和同种铝板表层残余应力分布的差异及原因;借助OM、EBSD等手段研究了同种及异种焊缝的微观结构差异,分析了焊速对异种铝板宏观及微观结构的影响;采用浸泡腐蚀试验法、慢应变速率拉伸测试法（SSRT）研究了残余应力分布对异种铝板腐蚀性能的影响,借助扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）观察分析了浸泡腐蚀形貌和SSRT断口形貌及其腐蚀表面。主要结果如下:1、对比分析了FSW 5083/6016异种及同种铝板的表层残余应力分布差异,探明了焊速对FSW异种铝板残余应力分布的影响。同种和异种铝板的表层残余应力具有一定“M”形分布特征,焊缝中心应力较小,焊缝边缘应力达到峰值;纵向应力主要为拉应力,其数值和分布的离散程度高于横向应力;同一工艺下异种铝板的纵向应力峰值要高于同种铝板;随着焊速升高,异种铝板纵向应力峰值增大。数值分析所得的应力分布规律与实测结果一致,但计算的应力值低于实测值,分析模型仍需优化。2、对比测定了5083/6016同种及异种焊缝横截面表层显微硬度分布差异,进一步分析了显微硬度分布与残余应力分布的关系。同一工艺下异种焊缝的硬度值要高于且高于同种焊缝;且异种焊缝硬度呈“W”形分布,焊缝中心硬度高于焊缝边缘;随着焊速的增加,异种焊缝硬度上升;异种焊缝硬度分布与残余应力分布特征相反,显微硬度呈现出“W”形分布,而残余应力呈“M”形分布。3、对比分析了FSW5083/6016同种及异种焊缝横截面的组织形貌差异,探明了焊速对异种焊缝组织形貌的影响规律。焊缝横截面存在轴肩作用区、热力影响区等多个分区。不同焊速下异种焊缝表层晶粒均十分细小,焊缝中心为均布的等轴晶,焊缝边缘晶粒产生伸长变形;而随着焊速增加,晶粒尺寸略微减小;焊速为200mm/min的异种焊缝中心、前进侧焊缝边缘和后退侧焊缝边缘的平均晶粒度分别为:5.71、6.70和7.05μm,三个区域的纵向拉残余应力分别为:8.63、29.1和41.93 MPa,晶粒尺寸增大的同时,纵向残余应力也在增加。4、评价了FSW 5083/6016异种焊缝在3.5%Na Cl溶液和剥落腐蚀液中的浸泡腐蚀性能。在3.5%Na Cl溶液中浸泡后,焊缝整体腐蚀程度均较为轻微,其中焊缝边缘点蚀坑相对密集,腐蚀程度相对较高。在剥落腐蚀液中浸泡后,母材表面腐蚀较为严重,而焊缝腐蚀程度轻微且评级均为PA级;三组焊缝均呈现出焊缝边缘腐蚀程度比焊缝中心更严重,且焊缝边缘纵向残余拉应力高于焊缝中心;而随着焊速增加,纵向残余拉应力增大,腐蚀程度更为严重,这表明纵向残余拉应力不利于焊缝的浸泡腐蚀性能。5、分析了不同焊速FSW 5083/6016异种焊缝在3.5%Na Cl溶液中的应力腐蚀开裂（SCC）行为。应变速率为0.33×10-5s-1时,焊速为100mm/min、200mm/min和300mm/min异种焊缝的应力腐蚀敏感性指数ISSRT分别为:0.00628、0.01838和0.02898,且断口形貌以韧窝为主,几乎不发生应力腐蚀,但随着焊速增加,焊缝纵向残余拉应力增大,FSW 5083/6016异种焊缝应力腐蚀敏感性指数ISSRT有所上升,表现出残余应力促进应力腐蚀发生的趋势。
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