CN101767250A - 一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法，根据不同的焊接工艺参数对焊接工具位置进行变换，并相应地调整前进侧材料和焊接工具轴线与焊缝距离，使焊缝两侧材料产生协调流变，从而使两种材料均匀混合，焊缝中不出现粗大非晶颗粒，并避免过热使非晶产生晶化或与铝发生化学反应，从而获得理想的焊缝组织与稳定的接头性能。

Description

一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法

技术领域

本发明涉及非晶合金与金属材料，特别提供了一种改善锆基非晶合金与铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，适用于铝-锆基非晶合金异质金属板材的连接。

背景技术

锆(Zr)基非晶合金具有高强度、高硬度、高弹性、良好的耐磨性、理想的电磁、光学、热物理性能以及优良的耐腐蚀性能，而且晶化温度与玻璃化温度范围较宽，在此区域可超塑成型。因此在航空航天、兵器、电子、精密仪表、能源以及体育用品等领域有广泛的应用背景。例如最新研制的锆基非晶不仅具有以上优良的力学性能还显示出“自锐”性，可用于制造穿甲弹，以替代传统的高比重钨合金穿甲弹、或有辐射污染的贫铀穿甲弹；美国航空航天局使用Zr-Cu-Al-Ni大块非晶合金制成的太阳风搜集器，以其优良的热物理与化学性能，用于研究太阳外层空间中陨星、彗星、月亮等行星气氛的化学进化；而利用其高弹性特征制造高尔夫球杆击头，可将99％能量传递到球上。但锆基非晶合金尺寸难以达到传统金属材料的尺寸规格，而且作为零部件使用必然需要与其它材料零件连接，因此要进一步扩大锆基非晶合金在结构件中的应用范围，尤其对需要减重的应用场合，使用铝合金与其连接是锆基非晶合金研发必须解决的技术关键。

与机械连接相比，焊接是最紧凑且经济的连接方式。然而目前关于Zr基非晶焊接的研究报道十分有限。需要指出的是，Zr基非晶在高温下会发生晶化使性能降低，传统熔焊工艺很难避免Zr基非晶的晶化，而且由于Al和Zr非晶之间存在很大的化学、物理及力学性能差异，Al/Zr非晶很难通过熔焊获得无缺陷的连接。另外，焊接过程中会生成Al-Zr脆性金属间化合物，不仅降低接头力学性能，还使工件导电导热性能降低，因而传统熔焊工艺无法满足Al/Zr非晶的焊接需求。目前十分有限的研究报道使用电子束焊接了Ti与Zr非晶(J.Kim，Y. Kawamura，Scripta Materialia，Vol.56(2007)pp.709-711)，结果发现Ti/Zr界面形成了反应产物，而且电子束焊接工艺生产存在成本高、效率低以及工件尺寸受限的不足。因而应该寻找更加理想的焊接方法来满足Al/Zr非晶的连接需求。

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一种依靠机械力和摩擦热作用实现焊接的新型固相连接技术，这为异质金属材料的焊接提供了可能。已有研究表明，异质金属流变能力不同，搅拌摩擦焊工艺参数选取需要考虑异质金属流变能力的协调。例如当焊接工具转速增加时会使焊缝两侧异质金属温差变大，导致两侧材料流变能力差异加大，从而产生缺陷或使焊缝区组织不均匀。另外工艺参数变化还会影响焊核区和热影响区组织，从而影响接头强度。如果根据所选取的工艺参数适当调整焊接工具位置，比如偏向焊缝某一侧材料，可以使两侧材料温差减小，同时正确选择前进侧材料，可以使焊缝两侧材料协调流变，有利于获得理想的焊缝组织。

目前对Al/Zr非晶合金异质金属搅拌摩擦焊接研究报道不仅数量十分有限(D.Wang，B.L.Xiao，Z.Y.Ma and H.F.Zhang，Scripta Materialia，Vol.60(2007)pp.112-115)，而且其接头质量不够稳定。这主要是由于没有系统地对工艺参数、焊接工具相对焊缝位置及前进侧材料进行合理选择，使Zr基非晶与铝合金变形能力产生较大差异，在焊接过程中被破碎成较大尺寸(＞100μm)的颗粒并被带入焊接中心区域(搅拌区)铝合金中，在拉伸过程中这些颗粒在低应力下即发生开裂导致搅拌区先于热影响区开裂，使焊接接头性能稳定性降低。目前尚未有系统研究报道过焊接工艺参数范围、焊接工具与焊缝相对位置以及前进侧材料的选择方式对组织性能的影响，这为铝合金与Zr基非晶合金的搅拌摩擦焊接头质量控制带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法，适用于大尺寸铝-锆基非晶合金异质金属板材的低成本、高效率连接。

本发明提供了铝-锆基非晶合金的搅拌摩擦焊接方法，可以获得均匀致密的焊缝组织，在焊缝中没有大尺寸的非晶颗粒，同时可以抑制锆基非晶的晶化，及其与铝发生的化学反应，焊接接头抗拉强度可以稳定地达到铝合金母材的75％以上。

本发明提供的铝-锆基非晶异质金属连接的搅拌摩擦焊接方法，根据焊接工艺参数变化，需将焊接工具置于铝板或锆基非晶合金板一侧，并相应地将铝板或非晶板置于前进侧。

本发明提出了根据焊接工具位置调整前进侧材料及焊缝与焊接工具轴线距离的方法，具体为焊接工具置于非晶侧时，铝在前进侧，其轴线与焊缝距离小于0.5倍搅拌针直径；焊接工具置于铝侧时，非晶在前进侧，其轴线与焊缝距离为搅拌针直径的0.4-0.5倍。

本发明提供的铝-锆基非晶异质金属连接的搅拌摩擦焊接方法，所述的焊接工艺参数，即搅拌工具转速在200-4000rpm之间，焊接速度在50-800mm/min之间。

本发明根据焊接工艺参数、焊接工具位置与前进侧材料选择，使焊缝两侧材料产生协调流变，从而使搅拌区两种材料均匀混合，避免搅拌针把在粗大Zr基非晶颗粒带入搅拌区而降低接头强度，同时避免过热导致锆非晶合金晶化或与铝产生化学反应，从而形成致密均匀的焊缝，最终可使焊接接头抗拉强度稳定地达到铝母材的75％以上。

本发明工艺可以提高Al/Zr基非晶合金异质金属搅拌摩擦焊接头的可靠性，减少焊接缺陷，提高焊接头的强度。因此，这种新的焊接工艺方案对非晶合金工业应用具有重要价值。

具体实施方式

实施例1

使用直径3mm的搅拌针对5083Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速1500rpm/min、焊接速度100mm/min，焊接工具向Al侧偏置，焊接工具轴线与焊缝距离(偏置量)1.2mm，非晶为前进侧。微观检查表明，焊缝内部没有观察到尺寸超过40μm的非晶颗粒，且非晶未出现晶化。拉伸实验表明，焊接头断裂发生在Al侧，焊接头抗拉强度为5083Al母材的90％。

比较例1

使用直径3mm的搅拌针对5083Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速1500rpm/min、焊接速度100mm/min，焊接工具向非晶侧偏置，偏置量1.2mm，铝置于前进侧。微观检查表明，在铝侧发现尺寸超过100μm的颗粒，拉伸实验表明，裂纹萌生于这些颗粒中，焊接头抗拉强度为5083Al母材的60％。

实施例2

使用直径3mm的搅拌针对2024Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速600rpm/min、焊接速度100mm/min，焊接工具向非晶侧偏置，偏置量1.2mm，铝置于前进侧。微观结构检查表明，焊缝均匀，无尺寸超过20μm的非晶颗粒，非晶无晶化。拉伸实验表明，断裂发生在Al侧，焊接头抗拉强度为2024Al的75％。

比较例2

使用直径3mm的搅拌针对2024Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速600rpm/min、焊接速度100mm/min，焊接工具向非晶侧偏置，偏置量1.2mm，非晶置于前进侧。微观结构检查表明，焊缝中有尺寸超过100μm的非晶颗粒。拉伸实验表明，断裂萌生在非晶颗粒中，焊接头抗拉强度不稳定，为2024Al的50-70％。

实施例3

使用直径3mm的搅拌针对7075Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速600rpm/min、焊接速度200mm/min，焊接工具向铝侧偏置，偏置量1.2mm，非晶置于前进侧。微观结构检查表明，焊缝均匀无缺陷，没有发现尺寸超过40μm的非晶颗粒，非晶无晶化。拉伸实验表明，断裂发生在Al侧，焊接头抗拉强度为7075Al的76％。

比较例3

使用直径3mm的搅拌针对7075Al合金和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金板进行搅拌摩擦焊接，工具转速600rpm/min、焊接速度200mm/min，焊接工具向铝侧偏置，偏置量1mm，非晶置于前进侧。微观结构检查表明，焊缝中出现大尺寸的非晶颗粒，且颗粒与铝界面有微孔。拉伸实验表明，裂纹在产生非晶颗粒中产生，焊缝强度达到7075Al母材的60-70％。

Claims (3)

1.一种提高铝-锆基非晶合金搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：根据相应的焊接工艺参数，将焊接工具置于铝板或锆基非晶合金板一侧，并相应地将铝板或非晶板置于前进侧。

2.如权利要求1所述的铝-锆基非晶合金异质金属搅拌摩擦焊接方法，其特征还在于：所述的焊接工具置于非晶侧时，铝在前进侧，其轴线与焊缝距离小于搅拌针直径的0.5倍；焊接工具置于铝侧时，非晶在前进侧，其轴线与焊缝距离为搅拌针直径的0.4-0.5倍。

3.如权利要求1所述的铝-锆基非晶合金异质金属搅拌摩擦焊接方法，其特征还在于：所述的工艺参数，即搅拌工具转速为200-4000rpm，焊接速度为50-800mm/min。