CN104762573A - 一种改善7xxx铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，先将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后用浓度为5%-10%的PAG溶液冷却至室温；然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40℃~80℃环境放置2h~8640h；再将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160℃，保温时间2~36h，然后自然冷却至室温。本发明将7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后的冷却过程控制与后续时效过程相结合，既改善了焊接头质量，又有效地调控了焊接头中沉淀强化相的状态，提高了焊接头的力学性能。

Description

一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法

技术领域

    本发明涉及一种改善7XXX（（Al-Zn-Mg-（Cu）））高强铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法。

技术背景

7XXX系（Al-Zn-Mg-（Cu））高强铝合金是典型的时效强化合金，具有高的比强度，良好的韧性、抗腐蚀性及优异的加工性能等特点，一直被广泛用作航空航天、交通运输等领域的结构材料。在实际应用时往往需要对这些合金进行连接。采用传统的MIG等熔焊法极易使合金元素烧损、容易出现热裂纹、气孔等缺陷，焊接头的性能差，因此这些合金通常被认为是不可焊的。搅拌摩擦焊接技术是一种固相连接方法，避免了熔焊时易出现的系列缺陷，焊接头质量好，力学性能高，在实现7XXX系高强铝合金高质量连接方面具有独特的优势，拓展了高强铝合金在航空航天、交通运输等领域中的应用范围。

实际应用中进行搅拌摩擦焊接的7XXX系高强铝合金材料往往经过了时效处理，其中的沉淀强化相往往包括GP区和η＇（MgZn₂）相。搅拌摩擦焊接时，由于搅拌头高速旋转摩擦生热，搅拌区域中心附近金属的温度常可升高至400℃以上，甚至更高接近其固溶温度，其中的沉淀强化相发生溶解，而在热影响区中沉淀强化相会不同程度地粗化，导致硬度和强度下降。7XXX系高强铝合金通常具有较高的淬火敏感性，即冷却速率慢时过饱和固溶体发生分解，合金元素会以粗大平衡相的形式析出，保留在铝基体中的溶质原子数量数量少，而且空位浓度低。这个问题在所焊7XXX系高强铝合金材料厚度较大时尤其突出。因此，7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接完成后，必须控制冷却过程、采用合适的热处理调控基体中的沉淀强化相，以减小强度下降的程度，从而提高焊接头的力学性能。这对航空航天、交通运输等工业应用中改善7XXX系高强铝合金焊接接头性能，提高焊接结构的可靠性，降低结构件重量，节约成本，节能减排无疑具有重要的意义。

7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接后进行水冷时冷却速率高，可增加保留在铝基体中溶质原子数量，但极易产生热应力，出现缺陷，焊缝组织和性能不均匀，焊接头质量难以控制；采用空气冷却时，冷却速率低，焊缝外观质量好，无缺陷，但获得的冷却速率往往难以达到合金的临界冷却速率，铝基体中保留的溶质原子数量少，难以后续时效处理提高力学性能提供良好的组织基础。为了进一步提高7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能，人们尝试对焊接头进行重新固溶处理或者进行后续时效处理。焊接头重新固溶时，温度高，焊缝区的组织极易粗化，经后续人工时效后往往难以获得高的力学性能，而且容易产生缺陷，焊接头质量差。焊接头进行人工时效处理后，力学性能往往出现大幅度下降。焊接头进行自然时效处理后，强度往往有提升，但为了使强度获得显著的提升所需的时间非常长，如对7075铝合金搅拌焊接头自然时效2年，其抗拉强度才提高了约10%。因此，采用这种方法处理周期长，效率低，焊接头强度提升有限。

发明内容

 针对7XXX系高强铝合金材料搅拌摩擦焊接头的上述问题，本发明基于对合金中GP区和η＇沉淀强化相形成及演变机理，利用合适的热处理技术在焊接头中获得数量多、尺寸小、分布均匀的GP区和η＇沉淀强化相，提高焊接头的质量和力学性能。

本发明通过以下技术途径来提高7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接头的质量和力学性能：

步骤一：将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后立即用5%-10%浓度

             的PAG溶液冷却至室温；

      步骤二：将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40℃~80℃环境放置2h~8640h；

      步骤三：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160℃，到温后保温2~36h，然后自然冷却至室温。

所述步骤一中PAG溶液对焊接头冷却时速率不低于30℃/s。

所述步骤三中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头升温至100~160℃时的升温速率不高于2℃/min，较佳的升温速率不高于0.5℃/min。

适用于7XXX系铝合金，即合金元素质量百分比为：锌3~10%，镁1.0~3.0%，铜0.1~2.6%；同时包含微合金化元素锰、铬、锆、钛、钪中的一种或多种元素，其中锰0.05~0.8%，铬0.05~0.6%，锆0.05~0.3%，钛0.05~0.2%，钪0.05~0.6%；同时还包含不可避免的铁、硅微量杂质元素，其中铁小于0.5%，硅小于0.5%，其它元素单个小于0.05%，总共小于0.15%。

7XXX系铝合金为板材、型材或管材。

7XXX系铝合金的板材、型材及管材的状态包括W态、T4态、T5态、T6态及T7态。

本发明将7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后的冷却过程控制与后续时效过程相结合，既改善了焊接头质量，又有效地调控了焊接头中沉淀强化相的状态，提高了焊接头的力学性能。发明人研究发现， 7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接头中沉淀强化相的状态与焊接后铝基体中保留下来的溶质原子数量和空位浓度密切相关。基于溶质原子和空位浓度对沉淀强化相均匀形核温度的影响规律，本发明首先通过控制焊接后的冷却速率保留足够的溶质原子和空位，利用先低温处理促使大量GP区形核并长大至临界尺寸，而后通过控制缓慢升温使其稳定长大，并在后续更高温度等温保温时转变成η＇相，获得更好的强化效果，最终有效地提高力学性能，其中抗拉强度能提升15%~25%左右。7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后采用较低浓度的PAG溶液进行冷却时，可对焊接头的冷却过程进行良好地调控，在中温区间获得高的冷却速率，不仅接头的外观质量好，无缺陷，而且可获得高的溶质原子和空位浓度，为后续时效处理奠定了基础。和已有的方法相比，本发明中提到的方法可获得无缺陷、外观质量好的焊接头，而且力学性能高。

附图说明

图1为本发明实施例1中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头室温水冷的数码照片。

图2为本发明实施例1中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头PAG溶液冷却的数码照片。

图3为本发明实施例2中7XXX系铝合金搅拌焊接头维氏硬度分布曲线。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1：

本实施例对1.8mm后T6态7XXX铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，焊接后分别采用室温水和10%的PAG溶液冷却，冷却后在40℃环境中放置120h，然后缓慢升温至140℃，升温速率为1℃/min。如图1所示，室温水冷却的焊接头容易出现缺陷，外观质量差，而采用10%的PAG溶液冷却的焊接头无缺陷，外观质量美观，如图2。

实施例2：

本实施例对1.8mm厚的T7态7XXX铝合金（化学成分列于表1）板材进行搅拌摩擦焊接。焊接后一块板材空冷后进行自然时效处理；另一块板材利用本发明方法进行处理，即焊接后用浓度为10%PAG溶液冷却，于45℃环境放置240h，然后以0.25℃/min的速率升温至110℃，保温4h，然后取出在静止空气中自然冷却。测试并对比焊缝区的维氏硬度，如图3所示，本发明方法可提高焊缝区的硬度，尤其在焊核区和热机影响区尤为显著，从而改善焊接头的力学性能。

表1 T7态7XXX系铝合金板材化学成分（wt%）

元素	Zn	Mg	Cu	Zr	Mn	Fe	Si	Ti	Al
										含量	6.85	2.33	1.96	0.15	0.25	0.13	0.07	0.04	Bal.

实施例3：

本实施例对2.5 mm厚的T4态7XXX铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，焊接后分别采用浓度为5%的PAG溶液和空气冷却，然后自然时效不同时间或于60℃环境放置不同时间后缓慢升温至121℃，升温速率为0.4℃/min，最终测试焊接头的室温拉伸性能。表2所示的是合金的化学成分。表3中给出了不同处理后焊接头的室温拉伸性能。

本发明方法不仅能够显著提高焊接头的强度，保证较高的伸长率，而且大大缩短了后续处理时间，提高了生产效率。

表2 T4态7XXX系铝合金板材的化学成分（wt%）

元素

Zn

Mg

Cu

Zr

Fe

Si

Ti

Al

含量

7.75

1.88

2.12

0.12

0.06

0.03

0.03

Bal.

表3 焊接头的室温拉伸性能

Claims (7)

1.一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

    步骤一：将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后用浓度为5%-10%的PAG溶液冷却至室温；

    步骤二：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40℃~80℃环境放置2h~8640h；

步骤三：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160℃，保温时间2~36h，然后自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：所述步骤一中PAG溶液对焊接头冷却时速率不低于30℃/s。

3.根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头升温至100~160℃时的升温速率不高于2℃/min。

4.根据权利要求3所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：升温速率为不高于0.5℃/min。

5.根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：适用于7XXX系铝合金，即合金元素质量百分比为：锌3~10%，镁1.0~3.0%，铜0.1~2.6%；同时包含微合金化元素锰、铬、锆、钛、钪中的一种或多种元素，其中锰0.05~0.8%，铬0.05~0.6%，锆0.05~0.3%，钛0.05~0.2%，钪0.05~0.6%；同时还包含不可避免的铁、硅微量杂质元素，其中铁小于0.5%，硅小于0.5%，其它元素单个小于0.05%，总共小于0.15%。

6.根据权利要求5所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：7XXX系铝合金为板材、型材或管材。

7.根据权利要求6所示的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于：7XXX系铝合金的板材、型材及管材的状态是W态、T4态、T5态、T6态或T7态。