CN103008875A

CN103008875A - 一种异种金属焊接接头及其焊接方法

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Publication number: CN103008875A
Application number: CN2012105920608A
Authority: CN
Inventors: 杨素媛; 周俊; 程兴旺; 王扬卫; 黄建鹏
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种异种金属焊接接头及其焊接方法，属于焊接技术领域。所述接头为AZ31镁合金与7075铝合金以锡为中间层搅拌摩擦焊接形成，厚5～20mm；焊接方法为：将所述铝、镁合金分别置于前进面和后撤面对接固定，焊接界面设0.1～0.3mm厚的锡；搅拌针轴心向镁合金偏移其直径的10～45%；搅拌头倾斜2.5～3.5°，搅拌头插入速度为15～20mm/min，插入镁或铝合金厚度的97～99%，停1～3s，移动，搅拌头旋转速度为250～450r/min，焊接速度为50～80mm/min，停2～6s，搅拌头抽出速度为15～30mm/min。所述接头强度较高，成形较好；方法稳定，无环境污染；焊前处理简单。

Description

一种异种金属焊接接头及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种异种金属焊接接头及其焊接方法，具体地说，涉及一种5mm～20mm厚的AZ31镁合金与7075铝合金两种金属以锡为中间层（interfacelayer）搅拌摩擦焊接形成的焊接接头，以及所述焊接接头的搅拌摩擦焊接方法，属于材料加工工程中的焊接工艺技术领域。

背景技术

镁合金的比强度和比刚度高，弹性模量大，阻尼减振降噪能力强，镁合金密度大约为铝合金的三分之二，热导率小于铝合金，强度重量比大于铝合金；镁合金具有质轻、高阻尼性、低污染、可再生等优点，在同其他轻质材料竞争时，镁合金具有明显的优势，受到汽车和航空领域的青睐。而铝合金的塑韧性较好、重量轻、抗腐蚀、易成形，不存在热脆性，作为工程结构材料已经被广泛应用于汽车、电子、高速列车以及航空航天等领域。现有焊接镁合金和铝合金的方法为将所述两种合金直接熔焊，焊接得到的接头存在大量的金属间化合物Al₁₂Mg₁₇以及气孔，接头强度较低，严重阻碍了其焊接件的应用。目前，车体轻量化中开始用镁合金的构件代替部分铝合金，其中必然会遇到既要保持高强度又要减轻重量的要求，这就涉及到铝合金和镁合金的焊接。因此作为两种最具应用前景的轻型有色金属材料，为扩大其实际应用范围，镁合金和铝合金异种材料焊接的研究十分迫切而且非常具有经济社会价值。

发明内容

针对现有AZ31镁合金与7075铝合金熔焊得到的接头强度较低的缺陷，本发明的目的在于提供一种异种金属焊接接头及其焊接方法，其中，所述异种金属是指AZ31镁合金与7075铝合金，所述焊接方法为搅拌摩擦焊接。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种异种金属焊接接头，所述焊接接头为AZ31镁合金与7075铝合金以锡为中间层（interface layer）搅拌摩擦焊接形成；所述镁合金与铝合金的厚度一致，为5mm～20mm。

本发明所述一种异种金属焊接接头的焊接方法，所述焊接方法为搅拌摩擦焊接，步骤如下：

（1）将AZ31镁合金与7075铝合金对接固定，7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，在AZ31镁合金与7075铝合金的焊接界面添加厚度0.1mm～0.3mm的锡作为中间层；

可采用喷涂或粘结的方法将锡粉涂覆在焊接界面上，或是直接使用锡片；锡可部分或完全覆盖焊接界面；优选使用轴肩为双凹圆环形状的搅拌头；优选搅拌针为螺纹形；优选搅拌针螺纹为右旋的搅拌头逆时针旋转；搅拌针螺纹为左旋的搅拌头顺时针旋转；更优选搅拌针长度比AZ31镁合金或7075铝合金的厚度小0.2mm～1mm，搅拌针直径为AZ31镁合金或7075铝合金厚度的1～1.3倍，搅拌轴肩直径为搅拌针直径的2.5～3.5倍。

（2）将搅拌针轴心向AZ31镁合金方向偏移搅拌针直径大小的10%～45%；搅拌头倾斜角度为2.5°～3.5°，开始焊接，搅拌头插入速度为15mm/min～20mm/min，插入深度达到AZ31镁合金或7075铝合金厚度的97%～99%，停留1s～3s，开始移动，搅拌头的旋转速度为250r/min～450r/min，焊接速度为50mm/min～80mm/min，搅拌头移动停止后，停留2s～6s，搅拌头抽出速度为15mm/min～30mm/min，焊接结束，得到一种异种金属焊接接头；

其中，优选搅拌头的旋转速度为300r/min～400r/min，焊接速度为60mm/min～70mm/min。

有益效果

1.一种异种金属焊接接头，所述焊接接头为AZ31镁合金与7075铝合金以锡为中间层搅拌摩擦焊接形成；所述焊接接头不会产生的大量金属间化合物Al₁₂Mg₁₇以及气孔，强度较高，所述焊接接头按照GB/2651-2008取拉伸样，接头表面铣平，背面铣掉一部分后，所述焊接接头的抗拉强度可达到镁合金母材抗拉强度的40%，所述镁合金母材的抗拉强度为250MPa；

2.一种异种金属焊接接头的制备方法，所述方法焊接稳定，无环境污染；焊前处理简单；无需气体保护，可避免采用熔焊方法时污染空气以及弧光对人的伤害的缺点；

3.一种异种金属焊接接头的制备方法，所述方法中将7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，使得焊接得到的接头成形较好。

附图说明

图1为实施例1制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的扫描电镜（SEM）图。

图2为实施例3制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的SEM图。

图3为实施例5制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的SEM图。

图4为实施例5制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的SEM图。

图5为实施例5制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的SEM图。

图6为实施例5制得的焊接接头的接头界面金属间化合物的SEM图。

具体实施方式

为了充分说明本发明的特性以及实施本发明的方式，下面给出实施例。

以下实施例涉及对所述焊接接头进行力学性能测试和显微组织分析方法如下：

（1）力学性能测试：按照GB/2651-2008将实施例制备得到的焊接接头制成拉伸试样3个；将拉伸试样进行准静态拉伸试验；

（2）显微组织分析：AZ31镁合金的金相腐蚀液为1ml硝酸（质量浓度为65%～68%）、1g草酸和150ml蒸馏水混合液，7075铝合金的金相腐蚀液为1ml氢氟酸（分析纯）、1.5ml盐酸（质量浓度为36%～38%）、2.5ml硝酸（质量浓度为65%～68%）和95ml蒸馏水的混合液。

用棉签蘸取AZ31镁合金金相腐蚀液持续擦拭实施例制备得到的焊接接头的AZ31镁合金部分30s，用棉签蘸取7075铝合金金相腐蚀液持续擦拭实施例制备得到的焊接接头的7075铝合金部分4min，再用无水乙醇冲洗掉所述金相腐蚀液，干燥，得到试样。

所述试样采用Olympus PME-3型光学显微镜进行显微组织分析，采用扫描电镜S-4800观察过渡层形貌。

所述镁合金母材的抗拉强度为250MPa。

实施例1

（1）将6mm厚的AZ31镁合金焊板与6mm厚的7075铝合金焊板对接放置，固定在垫板上，7075铝合金焊板放置在前进面，AZ31镁合金焊板放置在后撤面；搅拌头的轴肩为双凹圆环形状，搅拌针为锥型右旋带三平面的螺纹形，搅拌针直径为5mm～7mm，搅拌头轴肩为20mm；搅拌针的长度比所述焊板厚度小0.4mm；

（2）搅拌针与所述焊接界面对中，搅拌头逆时针旋转；开始焊接，搅拌头的插入速度为20mm/min，插入深度为5.9mm，停留3s；开始移动，搅拌头的旋转速度为400r/min，焊接速度为70mm/min；搅拌头移动停止后，停留4s，搅拌头抽出速度为15mm/min，焊接结束，得到一种异种金属焊接接头。

经肉眼观察，可知所述焊接接头表面和背面成形较好；经力学性能测试和显微组织分析可知：如图1所示，所述焊接接头的接头界面金属间化合物有几处裂纹，抗拉强度为26.5MPa。

实施例2

将6mm厚的AZ31镁合金与6mm厚的7075铝合金对接放置，固定在垫板上，7075铝合金焊板放置在后撤面，AZ31镁合金焊板放置在前进面，其余制备方法步骤同实施例1，得到一种异种金属焊接接头。

经肉眼观察，可知所述焊接接头表面出现沟槽。

实施例3

（1）同实施例1步骤（1）；

（2）将搅拌针轴心向AZ31镁合金方向偏移1mm；搅拌头倾斜角度为2.5°；其余步骤同实施例1步骤（2），得到一种异种金属焊接接头。

经力学性能测试和显微组织分析可知：如图2所示，所述焊接接头界面金属间化合物中裂纹和金属间厚度比实施例1制备得到的焊接接头明显减少，其接头的抗拉强度为31.2MPa。

实施例4

（1）同实施例1步骤（1）；

（2）将搅拌针轴心向AZ31镁合金方向偏移2mm；搅拌头倾斜角度为2.5°；其余步骤同实施例1步骤（2），得到一种异种金属焊接接头。

经力学性能测试和显微组织分析可知：所述焊接接头界面金属间化合物接头界面无明显裂纹存在，金属间化合物厚度比实施例1制备得到的的焊接接头的金属间化合物厚度更小，抗拉强度为52MPa，达到镁合金母材抗拉强度的20.8%。

实施例5

（1）将6mm厚的AZ31镁合金焊板与6mm厚的7075铝合金焊板对接放置，固定在垫板上，7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，在AZ31镁合金焊板与7075铝合金焊板的焊接界面添加厚度为0.1mm的锡片作为中间层，锡片完全覆盖焊接界面；其余步骤同实施例1步骤（1）；

经力学性能测试和显微组织分析可知：图3、4、5、和6分别依次为所述焊接接头界面金属间化合物顶部到底部的SEM图，所述焊接接头界面金属间化合物接头界面无明显裂纹存在，金属间化合物的厚度比实施例1制备得到的的焊接接头的金属间化合物厚度更小，焊接接头的抗拉强度为67MPa，达到镁合金母材抗拉强度的26.8%。

实施例6

（1）将6mm厚的AZ31镁合金焊板与6mm厚的7075铝合金焊板对接放置，固定在垫板上，7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，在AZ31镁合金焊板与7075铝合金焊板的焊接界面添加厚度为0.3mm的锡片作为中间层，锡片完全覆盖焊接界面；其余步骤同实施例1步骤（1）；

经力学性能测试和显微组织分析可知：所述焊接接头界面金属间化合物接头界面无明显裂纹存在，金属间化合物的厚度比实施例1制备得到的的焊接接头的金属间化合物厚度更小，焊接接头的抗拉强度为47MPa。

实施例7

（1）将6mm厚的AZ31镁合金焊板与6mm厚的7075铝合金焊板对接放置，固定在垫板上，7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，在AZ31镁合金焊板与7075铝合金焊板的焊接界面添加厚度为0.2mm的锡片作为中间层，锡片完全覆盖焊接界面；其余步骤同实施例1步骤（1）；

经力学性能测试和显微组织分析可知：所述焊接接头界面金属间化合物接头界面无明显裂纹存在，金属间化合物的厚度比实施例1制备得到的的焊接接头的金属间化合物厚度更小，焊接接头的抗拉强度为77.1MPa，达到镁合金母材抗拉强度的31%。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种异种金属焊接接头，其特征在于：所述焊接接头为AZ31镁合金与7075铝合金以锡为中间层搅拌摩擦焊接形成；镁合金与铝合金的厚度一致，厚度为5mm～20mm。

2.一种如权利要求1所述的异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法为搅拌摩擦焊接，步骤如下：

（1）将AZ31镁合金与7075铝合金对接固定，7075铝合金放置在前进面，AZ31镁合金放置在后撤面，在焊接界面添加0.1mm～0.3mm厚的锡；

（2）将搅拌针轴心向AZ31镁合金方向偏移搅拌针直径的10%～45%；搅拌头倾斜2.5°～3.5°，开始焊接，搅拌头插入速度为15mm/min～20mm/min，插入深度达到AZ31镁合金或7075铝合金厚度的97%～99%，停留1s～3s，开始移动，搅拌头的旋转速度为250r/min～450r/min，焊接速度为50mm/min～80mm/min，移动停止后，停留2s～6s，搅拌头抽出速度为15mm/min～30mm/min，焊接结束，得到一种异种金属焊接接头。

3.根据权利要求2所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：用锡覆盖焊接界面。

4.根据权利要求3所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：用喷涂或粘结将锡粉涂覆在焊接界面上。

5.根据权利要求2所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：搅拌头的轴肩为双凹圆环状；搅拌针为螺纹形。

6.根据权利要求5所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：搅拌针螺纹为右旋的搅拌头逆时针旋转；搅拌针螺纹为左旋的搅拌头顺时针旋转。

7.根据权利要求5所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：搅拌针长度比AZ31镁合金或7075铝合金的厚度小0.2mm～1mm，搅拌针直径为AZ31镁合金或7075铝合金厚度的1～1.3倍，搅拌轴肩直径为搅拌针直径的2.5～3.5倍。

8.根据权利要求2所述的一种异种金属焊接接头的焊接方法，其特征在于：搅拌头的旋转速度为300r/min～400r/min，焊接速度为60mm/min～70mm/min。