1 背景

在船舶建造中，為了結構的輕量化，上層建筑等結構很多時候會采用鋁合金作為結構材料，而主船體結構為船用鋼材，這時候就不可避免的會遇到鋁-鋼異種材料連接的問題。由于鋁和鋼熔點上的差異以及鋁-鋼金屬間化合物的脆性等原因，使得鋁和鋼之間的異種材料連接非常的困難。

現(xiàn)有的主要鋁-鋼連接方式為使用爆炸焊制成的鋁-鋼過渡接頭，將船體用鋼材和上層建筑用鋁材分別的焊接在過渡接頭的兩側，以達到鋁和鋼連接的目的。而在實船應用中，由于焊接時的熱影響等原因，爆炸焊制成的鋁-鋼過渡接頭的可靠性有時會出現(xiàn)問題，這時候探索一種新的且更為可靠鋁-鋼連接方法變得非常的有意義。


2 鋁-鋼攪拌摩擦焊可行性試驗


2.1鋁-鋼攪拌摩擦焊攪拌頭設計

基于英國焊接研究所（TWI）的前期研究經(jīng)驗，后續(xù)焊接試驗設計制造了下圖鋁-鋼攪拌摩擦焊試驗用攪拌頭，該攪拌頭由W-Re合金（鎢錸合金）制成。


圖1  試驗用攪拌頭


2.2 鋁-鋼攪拌摩擦焊焊接試驗及結果評估


2.2.1  5083鋁合金攪拌摩擦焊試驗探索

當攪拌摩擦焊工具以600rpm的轉速旋轉、焊接速度為500mm/min、3°的工具傾斜角可以獲得外觀合格的焊縫，如圖2所示。

圖2  5083攪拌摩擦焊試板


2.2.2  5083鋁合金與E36鋼攪拌摩擦焊試驗探索

試驗前準備階段，試板均需按照工具輪廓對對接界面進行加工，并打磨對接界面附近氧化層。試驗將鋼板（E36）放置在焊縫的前進側，原因是在這樣的放置情況下，塑性鋁合金更容易與鋼發(fā)生混合形成接頭，且形成的接頭強度較高。

對于鋁鋼異種金屬攪拌摩擦焊而言，由于熔點差別較大，為防止鋁側過熱，采用攪拌頭偏置的方法，即攪拌頭的中心線偏向鋁這一側。使用初步開發(fā)出的參數(shù)焊接5083鋁板與E級鋼，根據(jù)經(jīng)驗，攪拌頭相對于接縫線的位置非常關鍵，因此，接下來的試驗中，變化攪拌頭相對于接縫線的位置，焊接結果如下表：

在上述實驗基礎上進一步改變轉速至400rpm、500rpm、600rpm，焊接速度（mm/min）至300、400、500，注意到隨著攪拌頭更多地進入鋼板，接頭的強度好像略有提高。但是，焊縫強度仍不足以切取試樣進行評估（宏觀斷面和拉伸強度）。焊接試驗未能在5083和 E 級鋼之間產(chǎn)生可接受的接頭焊縫。


2.2.3  6082鋁合金與E級鋼攪拌摩擦焊試驗探索

用6082鋁合金替代5083鋁合金與E級鋼進行攪拌摩擦焊，在焊縫開始位置，攪拌工具邊界進入鋼板0.2mm，然后按線性增加進入鋼材，焊縫長度為300mm，焊接末端進入鋼板量為1.0mm。焊縫表面形貌及斷面形貌如下圖所示。在焊縫兩端各取一個拉伸試樣，抗拉強度分別為175MPa、215MPa。


圖3  6082與E級鋼焊縫表面形貌



圖4  6082與E級鋼焊縫斷面形貌


2.2.4  5083鋁合金與E級鋼通過6082鋁合金作為中間層的攪拌摩擦焊試驗探索

用前面較合適的參數(shù)，先將6082鋁合金和5083鋁合金焊接在一起，從距離焊縫20mm處切掉6082鋁合金，表面及對接面加工后使剩余的6082與E級鋼焊接在一起，用兩道相鄰焊縫將5083鋁合金通過6082鋁合金與E級鋼連接在一起。沿著焊縫方向取彎曲試樣，可彎曲至90°，最大拉伸強度為229MPa。試件如下圖所示。

圖5  5083-6082-E級鋼焊接接頭宏觀形貌、彎曲試件、斷面形貌圖


3 結論

（1）試驗結果初步表明，5083鋁合金和鋼的焊接工藝對攪拌頭的位置比較敏感，可能與這兩種材料之間的兼容性有關，現(xiàn)階段通過改變主要焊接參數(shù)，很難直接在這兩種材料間制作出強度高的攪拌摩擦焊焊縫。

（2）通過引入6082中間層可以勉強解決上述兩種材料的連接問題，但是該中間層引入可能會導致潛在的腐蝕方面問題。