CN101450418B - 一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，在软状态下直接进行铝基复合材料的搅拌摩擦焊接，然后对焊接后的工件进行强化热处理，该焊接工艺可明显改善铝基复合材料的焊接性能，减少工具磨损，提高复合材料接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料，特别提供了一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，适用于可热处理强化铝基复合材料。
背景技术
陶瓷粒子不连续增强铝基复合材料由于陶瓷粒子的加入，采用传统的熔化焊工艺无法进行焊接。搅拌摩擦焊技术的发明为铝基复合材料的连接提供了可能，研究表明在优化工艺参数下可以得到高质量的复合材料接头。然而，即使在高温下，复合材料的变形能力也远低于铝合金，并且复合材料中的陶瓷颗粒会对焊接工具产生一定的磨损作用(Scripta Materialia，vol.45，No.1(2001)p.75-80)。因此，取得无缺陷复合材料搅拌摩擦接头的难度远高于铝合金。
对于热处理强化铝合金，搅拌摩擦焊接一般是在工件强化热处理之后进行。然而，如果在强化热处理前的软状态下(比如各种热加工状态或退火后)进行焊接，由于材料具有更好的流变能力，可明显降低焊接载荷，减少对焊接工具的损伤。焊接工件力学性能的提高可通过焊后强化热处理来实现。然而由于搅拌摩擦焊焊缝区的细晶结构是不稳定的，在高温固溶处理过程中会发生异常晶粒长大(Journal of Materials Science，vol.37，No.3(2002)p.473-480)，导致接头性能降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接 工艺，可用于各种可热处理强化铝基复合材料工件的连接。
本发明提供了一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，在软状态下直接对铝基复合材料进行搅拌摩擦焊接，然后对焊接后的工件进行强化热处理。
本发明提供的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，所述的软状态为采用粉末法或搅拌铸造法或挤压铸造法对铝基复合材料进行制备后的状态。
本发明提供的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，所述的软状态为对铝基复合材料进行挤压或轧制或锻造二次加工后的状态。
本发明提供的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，所述的软状态为对铝基复合材料进行退火处理后的状态。
对采用不同方法制备的铝基复合材料，进行强化热处理之前的状态由于硬度很低通常称之为软状态，包括不同方法(如粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造)制备后的制备态、各种二次热加工(挤压、轧制、锻造)后的加工态和复合材料退火后的状态。复合材料进行强化热处理(固溶+时效)后硬度明显提高，一般称之为硬状态。表1给出不同制备和二次加工条件下复合材料软态和硬态的硬度值的对比。
表1铝基复合材料在不同状态下的硬度
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本发明提出了一个新的搅拌摩擦焊接工艺，在软状态下直接进行铝基复合材料的搅拌摩擦焊接，改善材料的流动性，减少工具的磨损，然后对焊接工件进行强化热处理。由于复合材料中含有的大量陶瓷粒子对晶粒长大有强烈的阻碍作用，因而焊接后的复合材料工件在高温固溶处理时不会发生异常晶粒长大，因此不会导致复合材料接头性能的降低。
本发明工艺可以在改善复合材料焊接性的同时，减少焊接工具磨损，提高复合材料的力学性能。因此，这种新的焊接工艺方案在连接高强度铝基复合材料方面有着广阔的工业推广前景。
具体实施方式
实施例1
使用8mm厚15vol.％SiCp/2009Al复合材料挤压板材，在工具转速600转/分钟、焊接速度50毫米/分钟的焊接参数下进行搅拌摩擦焊接。微观结 构检查表明，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，并且焊接工具仅发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T4处理(500℃固溶处理1小时，水淬，室温放置2星期)，焊缝区细晶结构没有发生明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为445MPa，屈服强度为324MPa，延伸率为4％。
比较例1
使用8mm厚15vol.％SiCp/2009Al复合材料挤压板材，进行T4处理(500℃固溶处理1小时，水淬，室温放置2星期)后进行搅拌摩擦焊接，工具转速600转/分钟、焊接速度50毫米/分钟。焊缝区表面粗糙，内部存在隧道型孔洞，并且焊接工具的磨损明显加剧。复合材料接头的横向拉伸强度为380MPa，屈服强度为254MPa，延伸率为2％。
实施例2
使用8mm厚15vol.％SiCp/2009Al复合材料挤压板材，在420℃进行6小时退火后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度100毫米/分钟。微观结构检查显示，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，并且焊接工具仅发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(500℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)，焊缝区细晶结构没有发生明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为460MPa，屈服强度为345MPa，延伸率为4％。
比较例2
使用8mm厚15vol.％SiCp/2009Al复合材料挤压板材，进行T6处理(500℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)后进行搅拌摩擦焊接，工具转速800转/分钟、焊接速度100毫米/分钟。微观结构检查表明，焊 缝区表面粗糙，内部存在隧道型缺陷，并且焊接工具发生明显磨损。复合材料接头的横向拉伸强度为365 MPa，屈服强度为242 MPa，延伸率为2％。
实施例3
使用6mm厚20vol.％SiCp/2024Al复合材料轧制板材，在工具转速600转/分钟、焊接速度80毫米/分钟的焊接参数下进行搅拌摩擦焊接。焊缝表面比较平滑，内部致密无缺陷，并且焊接工具仅发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T4处理(502℃固溶处理1小时，水淬，室温放置2星期)，焊缝区细晶结构不发生异常晶粒长大。复合材料接头的横向拉伸强度为434MPa，屈服强度为316MPa，延伸率为4％。
比较例3
使用6mm厚20vol.％SiCp/2024Al复合材料轧制板材，进行T4处理(502℃固溶处理1小时，水淬，室温放置2星期)后进行搅拌摩擦焊接，工具转速600转/分钟、焊接速度80毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝表面粗糙，根部可以看到未焊合的隧道型缺陷，焊接工具的磨损也明显加重。复合材料接头的横向拉伸强度为361MPa，屈服强度为242MPa，延伸率为2％。
实施例4
使用6mm厚20vol.％SiCp/2024Al复合材料轧制板材，在400℃进行8小时退火后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度120毫米/分钟。微观结构检查显示，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，焊接工具只发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(502℃固 溶处理1小时，水淬，165℃时效10小时)，焊缝区细晶结构没有明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为465MPa，屈服强度为352MPa，延伸率为3.5％。
比较例4
使用6mm厚20vol.％SiCp/2024Al复合材料轧制板材，进行T6处理(502℃固溶处理1小时，水淬，165℃时效10小时)后进行搅拌摩擦焊接，工具转速800转/分钟、焊接速度120毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝区存在明显的隧道型贯穿缺陷，焊接工具的磨损比较严重。复合材料接头的横向拉伸强度仅为325MPa，屈服强度为212MPa，延伸率为1.5％。
实施例5
使用8mm厚25vol.％SiCp/6061Al复合材料锻造板材，在工具转速600转/分钟、焊接速度80毫米/分钟的焊接参数下进行搅拌摩擦焊接。微观结构检查表明，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，并且焊接工具仅发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(520℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)，焊缝区细晶结构没有发生明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为380MPa，屈服强度为285MPa，延伸率为5％。
比较例5
使用8mm厚25vol.％SiCp/6061Al复合材料锻造板材，进行T6处理(520℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)后进行搅拌摩擦焊接，工具转速600转/分钟、焊接速度80毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝区存在明显的隧道型贯穿缺陷，焊接工具的磨损比较严重。复合材料接头的横向拉伸强度仅为310MPa，屈服强度为194MPa，延伸率为1.5％。
实施例6
漩涡法制备10vol.％SiCp/7075Al复合材料，取其8mm厚板材，在430℃进行10小时退火后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度100毫米/分钟。微观结构检查显示，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，并且焊接工具仅发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(470℃固溶处理1小时，水淬，120℃时效24小时)，焊缝区细晶结构没有发生明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为510MPa，屈服强度为420MPa，延伸率为3％。
比较例6
漩涡法制备10vol.％SiCp/7075Al复合材料，取其8mm厚板材，在T6处理(470℃固溶处理1小时，水淬，120℃时效24小时)后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度100毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝表面粗糙，根部可以看到未焊合的隧道型缺陷，焊接工具的磨损也明显加重。复合材料接头的横向拉伸强度仅为375MPa，屈服强度为210MPa，延伸率为1.5％。
实施例7
挤压铸造法制备20vol.％SiCw/6061Al复合材料，取其6mm厚板材进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度150毫米/分钟。微观结构检查显示，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，焊接工具只发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(520℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效4小时)，焊缝区细晶结构没有明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为460MPa，屈服强度为352MPa，延伸率为6％。
比较例7
挤压铸造法制备20vol.％SiCw/6061Al复合材料，取其6mm厚板材进行T6处理(520℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效4小时)，然后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速800转/分钟、焊接速度150毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝区存在明显的隧道型贯穿缺陷，焊接工具的磨损比较严重。复合材料接头的横向拉伸强度仅为355MPa，屈服强度为242MPa，延伸率为1.5％。
实施例8
粉末冶金法制备20vol.％TiCp/2024Al复合材料，取其6mm厚板材进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速1000转/分钟、焊接速度200毫米/分钟。微观结构检查显示，焊缝表面比较平滑、内部致密无缺陷，焊接工具只发生轻微磨损。对焊接后的工件进行T6处理(500℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)，焊缝区细晶结构没有明显粗化。复合材料接头的横向拉伸强度为472MPa，屈服强度为378MPa，延伸率为5％。
比较例8
粉末冶金法制备20vol.％TiCp/2024Al复合材料，取其6mm厚板材进行T6处理(500℃固溶处理1小时，水淬，170℃时效5小时)，然后进行搅拌摩擦焊接，焊接参数为：工具转速1000转/分钟、焊接速度200毫米/分钟。微观结构检查表明，焊缝区存在明显的隧道型贯穿缺陷，焊接工具的磨损比较严重。复合材料接头的横向拉伸强度仅为340MPa，屈服强度为235MPa，延伸率为1.3％。
Claims (4)
1.一种提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：在软状态下直接对铝基复合材料进行搅拌摩擦焊接，然后对焊接后的工件进行强化热处理，其中所述的软状态为进行强化热处理之前的状态，所述的铝基复合材料为陶瓷粒子不连续增强铝基复合材料。
2.如权利要求1所述的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述的软状态为采用粉末法或搅拌铸造法或挤压铸造法对铝基复合材料进行制备后的状态，其中所述的铝基复合材料为陶瓷粒子不连续增强铝基复合材料。
3.如权利要求1所述的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述的软状态为对铝基复合材料进行挤压或轧制或锻造二次热加工后的状态，其中所述的铝基复合材料为陶瓷粒子不连续增强铝基复合材料。
4.如权利要求1所述的提高铝基复合材料可焊性的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述的软状态为对铝基复合材料进行退火处理后的状态，其中所述的铝基复合材料为陶瓷粒子不连续增强铝基复合材料。
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