舰船用铝—铝—钢复合材料焊接性能研究

论文摘要

爆炸焊接方法能够将大面积的同种或异种金属板材在瞬间内实现牢固的结合,为节约宝贵的稀有金属材料并充分利用各种金属材料的物理、化学和力学性能提供了独特的连接方法,因而得到了工业界的青睐。本文研究了应用于船舶领域的铝-钢过渡连接接头的焊接性能,考察了焊接前后爆炸复合界面区域的组织形貌和特征,及耐腐蚀性能等,针对目前船舶结构建造采用的铝-钢过渡接头存在的问题,对高性能新型复合过渡接头的材料组合及性能进行了探索。铝合金、钢之间采用铝-钢复合过渡接头通过焊接方法实现连接,可以显著提高连接部位的结合性能、耐腐蚀性,改善劳动条件等。然而,焊接热循环对复合界面的显微组织特征及结合性能会产生明显的影响。本研究分别采用铝合金TIG焊、铝合金MIG焊和钢MAG焊进行铝-钢复合过渡接头与铝合金板材、钢板之间的焊接,通过正交设计法,以三种焊接方法所采用的焊接电流为主要影响因素,研究了焊接工艺对过渡接头复合界面显微组织和结合性能的影响。实验结果表明,随着铝合金TIG焊、钢的MAG焊的焊接电流的增大,复合板复合界面剪切强度和厚度方向的拉脱强度均逐渐降低,而铝合金MIG焊焊接电流的变化对复合板性能的影响不明显。三种工艺方法对复合板性能由主到次的影响顺序为:铝合金TIG焊>钢MAG焊>铝合金MIG焊。焊接过程中复合界面温度场,尤其是峰值温度的测定,及焊后过渡接头界面结合性能的测试结果表明,欲满足相关标准对铝-钢过渡接头性能的要求,焊接热循环在复合界面产生的温度应不超过300℃。此时,复合界面两侧金相组织未观察到明显的变化。导致焊后复合板性能下降的主要原因是:焊接热循环使复合界面两侧在中间层形成的多种熔合体和变形组织发生了改变,界面区域存在的微小裂纹在焊接热及其产生的应力作用下得到扩展和增殖,应力状态也发生了变化。腐蚀电位测定结果显示,过渡接头复层5083铝板的腐蚀电位<1060铝板<过渡接头<CCSB钢板,因此,在形成腐蚀电池的条件下,5083作为阳极易于被腐蚀,而CCSB钢板则受到保护。海洋大气中,过渡接头钢基层腐蚀严重,而铝复层腐蚀则不明显,这是因为海洋大气条件下,没有稳定的电解质导体,材料自身耐腐蚀性占主导地位。而潮差条件下,试样有一段时间浸没于海水中,海水充当了稳定的导体,腐蚀电池的作用得到充分发挥,因此,钢板腐蚀较轻,而铝复层和中间层则被严重腐蚀。涂层保护的过渡接头均没有发现腐蚀现象,说明涂层保护是过渡接头在舰船上应用不可缺少的防腐蚀手段。针对纯铝和纯钛与钢爆炸复合界面上均易形成脆性的金属间化合物,此类化合物对过渡接头复合界面的结合性能,包括焊接性能均具有不良的影响,本研究对铝-钢过渡接头铝合金复层与钢基层之间过渡层的选材从金属学角度进行了分析,并对铝-钛-镍-钢复合板的力学性能进行了考核。结果显示,新型爆炸复合过渡接头厚度方向的拉伸强度和复合界面的剪切强度远高于目前国内外船舶结构建造应用的铝-铝-钢和铝-钛-钢过渡接头。此种新型的高性能铝-钢复合过渡接头为大中型船舶铝合金、钢结构的焊接连接提供了新的发展思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 爆炸焊接
• 1.1.1 爆炸焊接的基本原理
• 1.1.2 界面波的形成机理
• 1.1.3 爆炸焊接的特点
• 1.1.4 爆炸焊接的应用
• 1.2 本文的研究背景及意义
• 1.3 过渡接头的焊接性与力学性能分析
• 1.3.1 Al-Mg 合金的焊接特性
• 1.3.2 CCSB 船用钢的焊接性
• 1.3.3 铝-钢过渡接头的力学性能
• 1.4 铝-钢过渡接头国内外应用状况
• 1.4.1 国外应用状况
• 1.4.2 国内应用状况
• 1.4.3 铝-钢过渡接头及其存在的主要问题
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料
• 2.3 焊接方法的选择
• 2.4 焊接试样准备
• 2.5 正交实验设计
• 2.6 焊接试验
• 2.7 复合界面温度场的测定
• 2.7.1 温度场测定的意义
• 2.7.2 测温系统
• 2.7.3 试验过程
• 2.8 本章小结
• 第3章 焊接试验结果及分析
• 3.1 引言
• 3.1.1 力学性能测试试样及标准
• 3.1.2 性能测试结果及分析
• 3.2 界面温度对过渡接头性能的影响
• 3.3 铝-铝-钢爆炸焊接结合界面区的组织特征
• 3.3.1 扫描电镜图像分析
• 3.3.2 金相组织分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝－钢复合过渡接头的耐腐蚀性能
• 4.1 引言
• 4.2 腐蚀电位测定
• 4.3 海洋环境腐蚀试验
• 4.3.1 海洋环境腐蚀的特点
• 4.3.2 试验方法
• 4.3.3 海洋大气试验
• 4.3.4 海水潮差试验
• 4.4 本章小结
• 第5章 高性能新型复合过渡接头的研究
• 5.1 引言
• 5.2 中间层的选择
• 5.2.1 铝和钛的比较
• 5.2.2 镍的优势
• 5.3 试验材料及性能检测
• 5.3.1 试验材料
• 5.3.2 性能检测结果
• 5.4 试验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要