CN102534446B

CN102534446B - 提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法

Info

Publication number: CN102534446B
Application number: CN 201210018398
Authority: CN
Inventors: 辛仁龙; 刘德佳; 刘庆; 周正
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102534446A

Abstract

本发明公开了一种提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法，所述方法的步骤为：对搅拌摩擦焊接后的镁合金焊接区域进行轧制或压缩或锻造，改善焊接区域内部晶粒取向，用X射线衍射分析（XRD）或者背散射电子衍射分析测出镁合金搅拌摩擦焊接头区域的晶粒取向。该方法在搅拌摩擦焊接完成之后，采用塑性变形加工手段，对焊接区域进行塑性变形加工，调整接头区域晶粒取向，从而使被焊工件获得理想的力学性能。

Description

提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法

技术领域

本发明专利属于金属材料焊接技术领域，涉及一种提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所1991年发明的一项固相连接技术专利。其过程是通过一个具有特定形状的搅拌针插入被焊工件的结合界面，搅拌头高速旋转，使得轴肩和搅拌针与被焊工件发生摩擦产生热量，导致被焊接部位的材料温度升高软化达到热塑性状态，近缝区热塑性状态的被焊材料在搅拌针的旋转搅拌作用下发生塑性流动，且沿焊接方向发生相对运动，并在轴肩顶锻压力下完成焊接的过程。

目前，搅拌摩擦焊接镁合金方面取得了显著的发展，不管是被焊镁合金种类，还是被焊工件的尺寸上都取得了显著的进步，例如“一种中厚板AZ31镁合金的搅拌摩擦焊接方法”(申请号： 201010240914.7)，介绍了一种适合中厚板AZ31镁合金搅拌摩擦焊接的工艺及方法。但是人们在研究镁合金搅拌摩擦焊接接头力学性能时发现，一般沿着热机械影响区发生断裂，且镁合金搅拌摩擦焊接接头的力学性能普遍低于镁合金母材，尤其是具有锻造组织的镁合金母材，结合强度只有母材的60-80%，严重影响了镁合金搅拌摩擦焊接件的应用。目前，大量的学者正从事如何提高镁合金搅拌摩擦焊接接头力学性能的研究。主要包括通过控制焊接热输入，减小焊接区晶粒尺寸，提高接头力学性能；还包括通过焊后退火处理，析出第二相粒子，提高接头力学性能。这些方法都具有一定效果，但是效果不十分明显。

研究发现，在镁合金塑性变形过程中容易形成具有特定取向的晶粒结构，即形成织构。织构的形成将严重影响材料的力学性能，使金属材料的性能下降可达20%-50%。研究发现，搅拌摩擦焊接镁合金，尤其是具有锻造组织的镁合金，接头强度普遍低于镁合金母材，其中一个很重要的原因就是在搅拌摩擦焊接的过程中，在接头区域容易形成一种特定的晶粒取向，文献认为这种晶粒取向是以C轴垂直于搅拌针表面，成椭圆形的(0002)基面围绕着搅拌针表面而分布的织构（Seung Hwan C. Park, Yutaka S. Sato, Hiroyuki Kokawa. Metallurgical and Materials Transactions A. Vol. 34(2003)pp: 987-994）。这种取向便于在受力过程中发生滑移开裂，导致镁合金搅拌摩擦焊接接头力学性能降低。虽然“一种搅拌摩擦焊焊缝变形的控制方法”(申请号： 200910115722.0)，提出了采用碾压装置对焊缝进行碾压，但是它主要作用是提高焊缝金属延展性，消除或减少焊接接头的变形，而不是用于解决搅拌摩擦焊接镁合金，尤其是具有锻造组织的镁合金接头强度普遍低于母材的问题。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明专利提出了一种提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法，该方法在搅拌摩擦焊接完成之后，对焊接区域进行塑性变形加工，调整接头区域晶粒取向，从而使被焊工件获得理想的力学性能。

本发明专利所述的技术方案如下：

提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法，有以下步骤：对搅拌摩擦焊接后的镁合金焊接区域进行轧制或压缩或锻造，改善焊接区域晶粒取向，用X射线衍射分析（XRD）或者背散射电子衍射分析测出镁合金搅拌摩擦焊接头区域的晶粒取向。

所述焊接区域包括在搅拌摩擦焊接镁合金中形成的搅拌区以及搅拌区与母材之间的过渡区。

改善的焊接区域晶粒取向与焊接接头水平方向夹角为0-35°或55-90°。

本发明所述的接头力学性能为屈服强度和最大拉伸强度。

本发明专利与现有技术相比，具有如下的显著效果：

1.在搅拌摩擦焊接完成之后，通过塑性变形加工的手段，改善焊接区域的晶粒取向，从根本和变形机理上，提高了镁合金搅拌摩擦焊接接头的力学性能，具有很强的应用价值。

2.塑性变形加工手段简单有效，且成本低廉。

3.所用设备简单常见，成本较低，易于推广。

附图说明

图1为镁合金搅拌摩擦焊接完成后横截面各区域晶粒取向示意图；

图2为镁合金搅拌摩擦焊接接头经本发明方法加工后横截面各区域晶粒取向示意图。

具体实施方式

本发明专利主要是为了解决在搅拌摩擦焊接镁合金，尤其是具有锻造组织镁合金中出现的接头力学性能普遍低于镁合金母材的问题，在搅拌摩擦焊接镁合金完成之后，采用轧制或压缩或锻造的塑性变形方法，对焊接区域的晶粒取向进行整理，用X射线衍射分析（XRD）或者背散射电子衍射分析测镁合金板材晶粒取向，使整理后晶粒取向与镁合金板材水平面之间的夹角0-35°或55-90°。

由于镁合金搅拌摩擦焊接接头的焊接区域晶粒成特殊的晶粒取向，根据技术背景所述，在搅拌区内这种晶粒取向主要是以C轴垂直于搅拌针表面，成椭圆形的(0002)基面围绕着搅拌针表面而分布的织构。而在热机械影响区内，晶粒取向主要是以C轴与ND（法向）、TD（横向）成一定的夹角。因此镁合金搅拌摩擦焊接完成后横截面各区域晶粒取向示意图如附图1所示，图中短线示意为镁合金C轴，Base metal为焊接后的镁合金板材的母材区、TMAZ为热机械影响区、SZ为搅拌区。从附图1可知，在焊接接头中的热机械影响区内，C轴与TD（横向）成一定的夹角，而这个夹角随初始晶粒取向和焊接工艺参数变化而变化，但一般小于45度。然而在搅拌区内，C轴几乎平行于焊接方向，与横截面垂直。

从附图1所示的焊接区域晶粒取向分布可知，在热机械影响区，C轴与TD（横向）成一定的夹角，当这个夹角越接近45度时，越容易发生基面滑移开裂，得到较低的屈服强度和最大拉伸强度。本发明采用轧制或压缩或锻造塑性变形加工方法，使焊接区域的晶粒取向发生改变，其容易发生基面滑移开裂的晶粒取向转变成不利于发生基面滑移开裂的晶粒取向。经过塑性变形加工后的焊接区域晶粒取向将发生显著的改变，如对焊接区域焊后进行压缩之后，焊接区域的晶粒取向如附图2所示。从附图2可知，搅拌区和热机械影响区的晶粒取向都发生了显著的变化，这是由于在对焊接区域进行压缩的过程中，焊接区域的晶粒将发生拉伸孪生变形，拉伸孪生变形的产生将导致镁合金中C轴发生86.3度转角，使得焊接区域的晶粒取向发生显著变化。例如，附图2中热机械影响区和搅拌区的晶粒经过压缩产生拉伸孪生变形使得C轴发生86.3度偏转，最终几乎平行于ND方向，与TD方向夹角近似90度，显然经过压缩之后的焊接区域，镁合金晶粒C轴几乎垂直于TD拉力方向，使得基面滑移Schmid factor几乎为0，在受力过程中，基面滑移难以开动，从而有效提高接头的屈服强度和拉伸强度。

以下是发明人给出的具体实施例子，本发明专利不限于这些实施例。

实施例1

采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接了两块厚为6.0 mm的热轧AZ61板材，轴肩直径为18 mm，搅拌针直径为6 mm，长度为6 mm。当焊接速度为60 mm/min，搅拌头旋转速度为1000 rpm时，焊后所得接头的屈服强度为150 Mpa，最大拉伸强度为330 Mpa。焊接后，对焊接区域进行压缩塑性变形，压缩量为3%。经检测，经过压缩塑性变形之后的接头屈服强度180 Mpa，最大拉伸强度达到365 Mpa，显著提高了接头的屈服强度和最大拉伸强度。

实施例2

采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接了两块厚为6.0 mm的热轧AZ61板材，轴肩直径为18 mm，搅拌针直径为6 mm，长度为6 mm。当焊接速度为60 mm/min，搅拌头旋转速度为1000 rpm时，焊后接头的屈服强度150 Mpa，最大拉伸强度达到330 Mpa。焊接后，对焊接区域进行压缩塑性变形加工，压缩量为6%。经检测，经过压缩塑性变形之后的接头屈服强度265 Mpa，最大拉伸强度达到370 Mpa，显著提高了接头的屈服强度和最大拉伸强度。

Claims

1.一种提高镁合金搅拌摩擦焊后接头的力学性能的方法，其特征在于：对搅拌摩擦焊接后的镁合金焊接区域进行轧制或压缩或锻造，改善焊接区域晶粒取向，用X射线衍射分析（XRD）或者背散射电子衍射分析测出镁合金搅拌摩擦焊接头区域的晶粒取向，改善的焊接区域晶粒取向与焊接接头水平方向夹角为0-35°或55-90°。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊接区域包括在搅拌摩擦焊接镁合金中形成的搅拌区以及搅拌区与母材之间的过渡区。