專利名稱：一種攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用原位反應(yīng)，通過攪拌摩擦焊接在焊核區(qū)獲得高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及殘余單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控?cái)嚢枘Σ梁附宇^組織及性能，尤其是抑制焊核區(qū)焊后熱處理過程的晶粒異常長(zhǎng)大的方法。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊接(Friction stir welding, FSW)作為一種新型的焊接技術(shù),近年來發(fā)展相當(dāng)迅速。此項(xiàng)技術(shù)屬于固相焊接，焊接工具與母材表面的摩擦生熱和接合區(qū)材料變 形產(chǎn)生的熱量使接合區(qū)局部瞬時(shí)達(dá)到約為O. STm的高溫狀態(tài)，同時(shí)經(jīng)歷高應(yīng)變速率Γ10/s)強(qiáng)變形Γ10)的機(jī)械混合，實(shí)現(xiàn)焊接。相比于傳統(tǒng)熔焊，F(xiàn)SW的更多優(yōu)點(diǎn)包括組織致密、缺陷少、殘余應(yīng)力小、焊件變形小、尺寸穩(wěn)定性好，而且無需復(fù)雜的焊接預(yù)處理，加工速度快、效率高，是一種低成本高質(zhì)量而且節(jié)能環(huán)保的焊接技術(shù)。FSW已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、鐵道車輛、火箭、飛機(jī)的制造，并體現(xiàn)出優(yōu)越的性能，證明其作為新型的焊接工藝有非常廣闊的應(yīng)用前景。焊接過程中焊核區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶生成小于10 μ m的晶粒結(jié)構(gòu)。細(xì)晶強(qiáng)化得到的力學(xué)性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)焊接。然而，焊接之后的材料在很多情況下需要進(jìn)行熱處理。例如，
(I)進(jìn)行超塑性變形前需要高溫預(yù)熱；(2)熱處理鋁合金需要高溫固溶熱處理；(3)烤漆硬化所需經(jīng)歷的高溫過程。大量研究報(bào)道了在這些熱處理過程中，粗大晶粒極易在焊核區(qū)生成。這些大尺度晶粒(最大可達(dá)毫米級(jí))的存在降低了焊核區(qū)材料的強(qiáng)度、疲勞性能、斷裂韌性、以及大幅降低超塑性(AA2024中從500%降至100%)，甚至由于“桔皮效應(yīng)”影響其加工之后的表面美觀。領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威的綜述文章也提出如何穩(wěn)定攪拌摩擦焊接所得到的細(xì)晶結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域3大關(guān)鍵研究問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)行工業(yè)生產(chǎn)的需要，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提高攪拌摩擦焊接接頭的質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種攪拌摩擦焊接方法，是一種將固相原位反應(yīng)法和攪拌摩擦焊接工藝，通過添加單質(zhì)金屬Ti粉結(jié)合起來的新方法，利用原位反應(yīng)，通過攪拌摩擦焊接工藝制備焊核區(qū)具有高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭，從而實(shí)現(xiàn)接頭力學(xué)性能的提升以及抑制焊核區(qū)焊后熱處理過程的晶粒異常長(zhǎng)大。一種攪拌摩擦焊接方法，利用原位反應(yīng)，通過攪拌摩擦焊接工藝制備具有59Γ15%體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭，該方法包括如下步驟在待焊鋁板貼合面附近開槽，形成加工區(qū)域；將兩塊所述待焊鋁板沿開槽方向?qū)樱糜跀嚢枘Σ梁笝C(jī)機(jī)床上，并用夾具固定；將待與基體發(fā)生原位反應(yīng)的單質(zhì)金屬粉焊料填入槽內(nèi)壓實(shí)，并與所述待焊鋁板表面平齊；利用與所述加工區(qū)域大小匹配的攪拌頭，對(duì)所述待焊鋁板進(jìn)行多次攪拌摩擦焊接處理，得到焊核區(qū)具有高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭。所述的待焊鋁板為純鋁板或高強(qiáng)度鋁合金板，厚度為f 3_，在焊接前經(jīng)過清洗和打磨，去除了雜質(zhì)和氧化層。所述的金屬粉焊料為純鈦粉，平均顆粒度約為1(Γ80 μ m。所述的攪拌摩擦焊接處理過程中，所述攪拌頭前進(jìn)速度為2(Tl00mm/min，所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為50(T2000rpm。所述的對(duì)鋁板進(jìn)行多次攪拌摩擦焊接處理為至少4道次。
采用本發(fā)明制備的鋁板攪拌摩擦焊接接頭，焊核區(qū)彌散分布著高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子以及部分未參與原位反應(yīng)的單質(zhì)金屬粉焊料顆粒，這些第二相粒子不但充當(dāng)了小尺寸增強(qiáng)相，提高了焊接接頭的綜合力學(xué)性能，而且在焊后熱處理過程中，也可以釘扎晶界，抑制焊核區(qū)晶粒異常長(zhǎng)大，從而提高了焊核區(qū)細(xì)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過將原位反應(yīng)法和攪拌摩擦焊接工藝結(jié)合起來的新方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攪拌摩擦焊接接頭組織和性能的調(diào)控。以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖I是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的焊接接頭組織的透視圖。圖2是FSW前兩塊鋁板對(duì)接的剖視圖。圖3是FSW后兩塊鋁板焊接接頭組織的剖視圖。圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的兩塊鋁板焊接接頭組織中原位自生A13Ti納米粒子及殘余單質(zhì)Ti顆粒的SEM照片。圖5是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的兩塊鋁板焊接接頭組織中原位自生A13Ti納米粒子及殘余單質(zhì)Ti顆粒的TEM照片。
具體實(shí)施例方式以下通過具體兩個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和效果作進(jìn)一步的闡述。實(shí)施例I :如圖I、圖2、圖3所示，在厚度為2. 7mm的待焊1060-H24純鋁板1、2貼合面附近開槽3,橫截面尺寸為1_X0. 5mm,沿招板厚度方向?yàn)镺. 5mm,形成加工區(qū)域；將兩塊待焊鋁板1、2沿開槽方向?qū)?，置于攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)床上，并用夾具固定；將待與Al基體發(fā)生原位反應(yīng)生成A13Ti納米粒子的單質(zhì)金屬焊料純鈦粉4填入槽3內(nèi)，壓實(shí)，并與純鋁板1、2表面平齊；純鈦粉平均顆粒度約為30 μ m ;利用與所述的加工區(qū)域大小匹配的攪拌頭5，對(duì)鋁板1、2進(jìn)行4道次攪拌摩擦焊接處理，得到焊核區(qū)具有59Γ15%體積分?jǐn)?shù)的原位自生Α13Τ 納米粒子及殘余單質(zhì)Ti粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭6 ;采取的攪拌頭5前進(jìn)速度為50mm/min,攪拌頭5旋轉(zhuǎn)速度為1500rpm。利用本發(fā)明所述具體實(shí)施例得到的焊核區(qū)具有高體積分?jǐn)?shù)的原位自生A13Ti納米粒子及殘余單質(zhì)Ti粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭6, Α13Τ 尺寸小,達(dá)到納米級(jí)別,在焊核區(qū)彌散分布，和基體的界面平整，未與Al基體發(fā)生原位反應(yīng)的Ti顆粒也在其中彌散分布，如圖4、圖5所示。實(shí)施例2 :在實(shí)施例I中，還可采用其他型號(hào)鋁合金板材1、2，如1050等純鋁板或AA5083等高強(qiáng)鋁合金板；還可以采取金屬鋁粉與鈦粉的混合焊料；采取的攪拌頭5前進(jìn)速度為2(T50mm/min，攪拌頭5旋轉(zhuǎn)速度為120(Tl500rpm，4 8道次攪拌摩擦焊接處理均可以得到焊核區(qū)具有高體積分?jǐn)?shù)的原位自生A13Ti納米粒子及單質(zhì)Ti粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭6。以上洋細(xì)描述了本發(fā)明的兩個(gè)較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種攪拌摩擦焊接方法，其特征在于利用原位反應(yīng)，通過攪拌摩擦焊接工藝制備具有59Γ15%體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及殘余單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭，該方法包括如下步驟 在待焊鋁板(I)、(2)貼合面附近開槽(3)，形成加工區(qū)域；將兩塊所述待焊鋁板(I)、(2)沿開槽方向?qū)樱糜跀嚢枘Σ梁笝C(jī)機(jī)床上，并用夾具固定；將待與基體發(fā)生原位反應(yīng)的單質(zhì)金屬粉焊料(4)填入所述槽(3)內(nèi)壓實(shí)，并與所述待焊鋁板(I)、(2)表面平齊；利用與所述加工區(qū)域大小匹配的攪拌頭(5)，對(duì)所述待焊鋁板進(jìn)行多次攪拌摩擦焊接處理，得到焊核區(qū)具有高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及殘余單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭(6)。
2.如權(quán)利要求I所述的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的待焊鋁板(I)、(2)為純鋁板或高強(qiáng)度鋁合金板，厚度為f 3mm，在焊接前經(jīng)過清洗和打磨，去除了雜質(zhì)和氧化層。
3.如權(quán)利要求I所述的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的金屬粉焊料(4)為純鈦粉，平均顆粒度約為1(Γ80 μ m。
4.如權(quán)利要求I所述的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述攪拌摩擦焊接處理過程中，所述攪拌頭(5)前進(jìn)速度為2(Tl00mm/min，所述攪拌頭(5)旋轉(zhuǎn)速度為50(T2000rpm。
5.如權(quán)利要求I所述的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于其中所述的對(duì)鋁板進(jìn)行多次攪拌摩擦焊接處理為至少4道次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種攪拌摩擦焊接方法，是一種利用原位反應(yīng)，通過攪拌摩擦焊接在焊核區(qū)獲得高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及殘余單質(zhì)金屬粉焊料顆粒彌散分布的焊接接頭的方法。本發(fā)明制備的鋁板焊接接頭組織，焊核區(qū)彌散分布的高體積分?jǐn)?shù)的原位自生金屬鋁化物納米粒子及殘余單質(zhì)金屬粉焊料顆粒，不但充當(dāng)了小尺寸增強(qiáng)相，提高了焊接接頭的綜合力學(xué)性能，而且在焊后熱處理過程中，也可以釘扎晶界，抑制焊核區(qū)晶粒異常長(zhǎng)大，從而提高了焊核區(qū)細(xì)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102717181SQ20121020989
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者單愛黨, 張瀾庭, 田勝, 陳科 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)