CN108687159A - 一种铝镁合金复合板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝镁合金复合板材，包括铝合金板材和镁合金板材，铝合金板材和镁合金板材叠放，通过搅拌摩擦焊进行连接；焊接叠放在一起的铝合金板材与镁合金板材经热轧形成铝镁合金复合板材。该铝镁合金复合板材制备方法为：1.将铝合金板材和镁合金板材加工至预定尺寸待用；2.将待用的铝合金板材和镁合金板材进行机械处理、化学清洗，清除表面的油污、氧化膜；3.将制备的铝合金板材和镁合金板材水平叠放在焊接工作台上，并用夹具固定；4.利用搅拌摩擦焊的方式对铝合金板材和镁合金板材叠板进行焊接；5.将焊接后的铝合金板材与镁合金板材复合板放入箱式电阻炉中进行预热处理；6.将预热后的铝合金板材与镁合金板材复合板材送入轧机进行热轧。

Description

一种铝镁合金复合板材及其制备方法
技术领域
本发明属于金属复合板材技术领域，具体涉及一种铝镁合金复合板材及其制备方法。
背景技术
镁合金作为目前工业应用上最轻的金属结构材料，具有比强度、比刚度高，导热和切削性能好，电磁屏蔽和抗震降噪能力强，易回收和对环境污染小等优点，被誉为“21世纪绿色金属结构材料”，在电子电器、汽车交通和航空航天等领域具有广泛的应用前景。为了降低能耗，减少对环境的污染，汽车公司和零部件供应商大力开展轻量化研究。镁合金不仅能显著降低车身自重，降低油耗，同时还是改善汽车的驾乘动力学性能。但是，镁合金的室温塑性变形能力差，冷轧十分困难。另外，镁的腐蚀电位低，且腐蚀产物疏松多孔，因此镁合金的耐腐蚀性能差，导致生产成本高，限制了镁合金的应用。铝合金具有良好的塑性和优异的耐腐蚀性能，适用于多种成型加工方法，广泛应用于汽车车身覆盖件和结构件。铝合金的强度高于镁合金，但是其密度约为镁合金的1.5倍。
铝镁复合板材可利用两种金属的优点，从而获得更优良的综合性能。目前铝镁合金复合板材制备方法有：熔化焊接复合法、扩散复合法、铸造复合法、包覆复合法、铆接复合法等。由于异质材料熔点、热导率、膨胀系数等存在差异，难以形成可靠的熔化焊接头，所以镁铝合金熔化焊工艺复杂，热影响区易形成镁-铝硬脆金属间化合物，在后续的轧制过程中显著降低界面的致密度，显著降低复合板材的强度。扩散复合法设备复杂且昂贵，生产周期长，不利于大规模生产。铸造复合法需大量设备，浇铸温度高，板材质量难以控制。包覆复合法生产工艺复杂，复合前包覆材料需与复合板材连接，复合后需去除包覆材料，造成材料的浪费，提高生产成本。铆接复合法直接将铝镁合金板材铆接复合再进行轧制，板材的变形不易控制，铆接工艺复杂，铆钉选型较困难而且成本较高。通过轧制完成板材的复合后，需机加工去除铆接部位，造成材料的浪费，增加工艺的复杂性。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种复合强度高、耐腐蚀性能优良、降噪减震性能好的铝镁合金复合板材，本发明还提供了一种制造流程短、生产效率高、铝镁复合板材界面结合紧密的铝镁合金复合板材制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种铝镁合金复合板材，其特征在于：包括铝合金板材和镁合金板材，所述铝合金板材和镁合金板材叠放，所述铝合金板材与所述镁合金板材之间通过搅拌摩擦焊进行连接，焊接叠放在一起的铝合金板材与镁合金板材经热轧形成所述铝镁合金复合板材。
进一步的，所述铝合金板材为纯铝、2000系、3000系、4000系、5000系和6000系中的一种。
进一步的，所述镁合金板材为纯镁、AZ系、ZK系中的一种。
本发明还涉及一种铝镁合金复合板材的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1.将铝合金板材和镁合金板材加工至预定尺寸待用，所述铝合金板材的长、宽尺寸与所述镁合金板材的长、宽尺寸相同；
步骤2.将待用的铝合金板材和镁合金板材进行机械处理、化学清洗，清除表面的油污、氧化膜；然后，将清理后的铝合金板材和镁合金板材吹干；
步骤3.将所述步骤2制备的铝合金板材和镁合金板材水平叠放在焊接工作台上，并用夹具固定；
步骤4.利用搅拌摩擦焊的方式对铝合金板材和镁合金板材叠板进行焊接；
步骤5.将所述步骤4焊接后的铝合金板材与镁合金板材复合板放入箱式电阻炉中进行预热处理，其中，预热温度为200℃～400℃，预热时间为5min～20min；
步骤6.将所述步骤5预热后的铝合金板材与镁合金板材复合板材送入轧机进行热轧，其中轧制速度为0.05m/s～1m/s，热轧变形量为10％～50％。
进一步的，步骤2中所述的机械处理为：利用磨床加工或砂纸打磨，所述的化学清洗为：用去离子水、50％～70％的酒精溶液清洗。
进一步的，所述步骤4的具体操作为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，搅拌头前进时的倾角为2°～5°，当搅拌头进入板材的深度达到预定值后，搅拌头以100mm/min～-500mm/min的速度延水平方向焊接，铝合金板材和镁合金板材以焊缝的形式焊接在一起。
进一步的，所述步骤4的具体操作为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，对叠放的铝合金板材和镁合金板材上对立的两边进行搅拌摩擦点焊。
进一步的，步骤5中所述的预热温度、预热时间和轧制速度根据所制备的镁铝复合板材的尺寸与厚度进行调整。
进一步的，所述制备方法可用于两层或三层镁铝合金复合板材的加工制备。
进一步的，所述铝合金板材为纯铝、3000系、5000系和6000系中的一种；所述镁合金板材为AZ31、AZ61和AZ80中的一种。
采用本发明技术方案的优点为：
1.本发明利用镁合金的密度低、比强度高、降噪减震性能好，铝合金的塑性加工性能和耐腐蚀性能优良，制备综合性能优异的铝镁复合金属板材；而且制备流程短、生产效率高，制备的镁铝复合板材界面结合紧密，复合强度高，铝合金层耐腐蚀性能优良，镁合金层降噪减震性能好，适合用于汽车覆盖件、结构件等。
2.本发明利用搅拌摩擦焊将铝合金板材与镁合金板材进行焊接，焊接过程中输入热量小、母材不熔化、接头温度低、热影响区小等优点，可显著减少结合界面上镁-铝脆性金属间化合物的形成，从而提高轧制界面的结合强度。
3.本发明对焊接后的铝合金板材与镁合金板材复合板进行预热，可减小铝合金板材与镁合金板材复合板在热轧过程中的变形抗力，使变形均匀，提高铝镁合金复合板材的质量。
4.本发明在焊接时按照铝合金板材在上，镁合金板材在下的顺序固定在焊接工作台垫板上，可有效解决由于镁合金板材容易氧化，若是焊机搅拌头由镁合金板材进入，镁合金板材被氧化形成的氧化物极其容易混入镁合金板材与铝合金板材的结合界面，导致结合界面脆弱、强度降低的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明铝镁合金复合板材制备流程图。
图2为本发明第一种实施例的工艺流程图。
图3为本发明第二种实施例的工艺流程图。
上述图中的标记分别为：1、铝合金板材；2、镁合金板材。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2、图3所示一种铝镁合金复合板材，包括铝合金板材1和镁合金板材2，铝合金板材1和镁合金板材2叠放，即上下放置；铝合金板材1与镁合金板材2之间通过搅拌摩擦焊进行连接，具体焊接方式为焊缝或点焊；焊接叠放在一起的铝合金板材1与镁合金板材2经热轧形成铝镁合金复合板材。上述铝合金板材1为纯铝、2000系、3000系、4000系、5000系和6000系中的一种。镁合金板材2为纯镁、AZ系、ZK系中的一种。
本发明还提供了一种制备上述铝镁合金复合板材方法，包括如下步骤：
步骤1.将铝合金板材1和镁合金板材2加工至预定尺寸待用，铝合金板材1的长、宽尺寸与镁合金板材2的长、宽尺寸相同；其中：镁或镁合金板为轧制板材，铝或铝合金板材为铝合金铸板或铝合金轧板。
步骤2.将待用的铝合金板材1和镁合金板材2进行机械处理、化学清洗，清除表面的油污、氧化膜；然后，将清理后的铝合金板材1和镁合金板材2吹干；其中，机械处理为：利用磨床加工或砂纸打磨，的化学清洗为：用去离子水、50％～70％的酒精溶液清洗。
步骤3.将步骤2制备的铝合金板材1和镁合金板材2水平叠放在焊接工作台上，并用夹具固定。
步骤4.利用搅拌摩擦焊的方式对铝合金板材1和镁合金板材2叠板进行焊接；本发明的第一种实施例中铝合金板材1和镁合金板材2以焊缝的形式焊接在一起，具体为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，搅拌头前进时的倾角为2°～5°，当搅拌头进入板材的深度达到预定值后，搅拌头以100mm/min～-500mm/min的速度延水平方向焊接。本发明的第二种实施例中铝合金板材1和镁合金板材2以点焊的形式焊接在一起，具体为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，对叠放的铝合金板材1和镁合金板材2上对立的两边进行搅拌摩擦点焊。搅拌摩擦焊焊接过程中具有：输入热量小、母材不熔化、接头温度低、热影响区小等优点，可显著减少结合界面上镁-铝脆性金属间化合物的形成，从而提高轧制界面的结合强度。
步骤5.将步骤4焊接后的铝合金板材1与镁合金板材2复合板放入箱式电阻炉中进行预热处理，其中，预热温度为200℃～400℃，预热时间为5min～20min；预热温度、预热时间和轧制速度根据所制备的镁铝复合板材的尺寸与厚度进行调整。对焊接后的铝合金板材1与镁合金板材2复合板进行预热，可减小铝合金板材1与镁合金板材2复合板在热轧过程中的变形抗力，使变形均匀。
步骤6.将步骤5预热后的铝合金板材1与镁合金板材2复合板材送入轧机进行热轧，其中轧制速度为0.05m/s～1m/s，热轧变形量为10％～50％。
本发明可通过调整搅拌头的形状、长度、材质、旋转速度以及焊接速度等来焊接不同的镁铝复合板材或其它金属复合板材，搅拌头前进角为2°～5°。本发明制备流程短、生产效率高，制备的镁铝复合板材界面结合紧密，复合强度高，铝合金层耐腐蚀性能优良，镁合金层降噪减震性能好，适合用于汽车覆盖件、结构件等。
优选的，上述铝合金板材1为纯铝、3000系、5000系和6000系中的一种；镁合金板材2为AZ31、AZ61和AZ80中的一种。
实施例1
选取长度为100mm，宽度为50mm，厚度为1mm的AZ31镁合金板材，长度为100mm，宽度为50mm，厚度为2mm的6061铝合金板材各一块，进行打磨，清除表面的氧化层、油污和缺陷等，然后清洗吹干。按照铝合金板材在上，镁合金板材在下的顺序固定在焊接工作台垫板上，然后焊机搅拌头以800r/min～1000r/min的速度进入板材，焊接速度为100mm/min～200mm/min，搅拌头前进时的倾角为2°～5°，对板材的两边(相平行的两边)进行搅拌摩擦缝焊。将焊接后的板材用铝箔包覆后放入普通箱式电阻炉进行预热处理，预热温度为300℃，预热时间为10min。将预热后的板材放入轧机进行热轧复合，轧制速度为0.1m/s，变形量为20％，制得镁铝复合板材，如图2所示。
实施例2
选取长度为200mm，宽度为100mm的，厚度为2mm的AZ61镁合金板，长度为200mm，宽度为100mm的，厚度为2mm的5182铝合金板各一块。将板材表面打磨，清除氧化层、油污和缺陷等，再清洗吹干，按照铝合金板材在上镁合金板材在下的顺序固定在焊接工作台垫板上，然后搅拌头以800r/min～1000r/min的速度进入板材，对板材的两边(相平行的两边)进行搅拌摩擦点焊。将焊接后的板材用铝箔包覆后放入普通箱式电阻炉中进行预热处理，预热温度为300℃，预热时间为15min。预热后的板材放入轧机进行热轧复合，轧制速度为0.1m/s，变形量为40％，制得镁铝复合板材，如图3所示。
在焊接时按照铝合金板材在上，镁合金板材在下的顺序固定在焊接工作台垫板上，这样设计的原因是：镁合金板材容易氧化，若是焊机搅拌头由镁合金板材进入，镁合金板材被氧化形成的氧化物极其容易混入镁合金板材与铝合金板材的结合界面，导致结合界面脆弱、强度降低，而按照铝合金板材在上、镁合金板材在下的顺序进行搅拌摩擦焊可以很好的解决这一问题。
本发明铝镁合金复合板材的制备方法可用于两层或三层或多层镁铝合金复合板材的加工制备。本发明利用镁合金的密度低、比强度高、降噪减震性能好，铝合金的塑性加工性能和耐腐蚀性能优良，制备综合性能优异的铝镁复合金属板材。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝镁合金复合板材，其特征在于：包括铝合金板材(1)和镁合金板材(2)，所述铝合金板材(1)和镁合金板材(2)叠放，所述铝合金板材(1)与所述镁合金板材(2)之间通过搅拌摩擦焊进行连接，焊接叠放在一起的铝合金板材(1)与镁合金板材(2)经热轧形成所述铝镁合金复合板材。
2.如权利要求1所述的一种铝镁合金复合板材，其特征在于：所述铝合金板材(1)为纯铝、2000系、3000系、4000系、5000系和6000系中的一种。
3.如权利要求1所述的一种铝镁合金复合板材，其特征在于：所述镁合金板材(2)为纯镁、AZ系、ZK系中的一种。
4.一种如权利要求1至3任意一项所述的铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1.将铝合金板材(1)和镁合金板材(2)加工至预定尺寸待用，所述铝合金板材(1)的长、宽尺寸与所述镁合金板材(2)的长、宽尺寸相同；
步骤2.将待用的铝合金板材(1)和镁合金板材(2)进行机械处理、化学清洗，清除表面的油污、氧化膜；然后，将清理后的铝合金板材(1)和镁合金板材(2)吹干；
步骤3.将所述步骤2制备的铝合金板材(1)和镁合金板材(2)水平叠放在焊接工作台上，并用夹具固定；
步骤4.利用搅拌摩擦焊的方式对铝合金板材(1)和镁合金板材(2)叠板进行焊接；
步骤5.将所述步骤4焊接后的铝合金板材(1)与镁合金板材(2)复合板放入箱式电阻炉中进行预热处理，其中，预热温度为200℃～400℃，预热时间为5min～20min；
步骤6.将所述步骤5预热后的铝合金板材(1)与镁合金板材(2)复合板材送入轧机进行热轧，其中轧制速度为0.05m/s～1m/s，热轧变形量为10％～50％。
5.如权利要求4所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：步骤2中所述的机械处理为：利用磨床加工或砂纸打磨，所述的化学清洗为：用去离子水、50％～70％的酒精溶液清洗。
6.如权利要求5所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤4的具体操作为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，搅拌头前进时的倾角为2°～5°，当搅拌头进入板材的深度达到预定值后，搅拌头以100mm/min～-500mm/min的速度延水平方向焊接，铝合金板材(1)和镁合金板材(2)以焊缝的形式焊接在一起。
7.如权利要求5所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤4的具体操作为：搅拌摩擦焊焊机的搅拌头以500r/min～3000r/min的速度进入板材内，对叠放的铝合金板材(1)和镁合金板材(2)上对立的两边进行搅拌摩擦点焊。
8.如权利要求6或7所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：步骤5中所述的预热温度、预热时间和轧制速度根据所制备的镁铝复合板材的尺寸与厚度进行调整。
9.如权利要求8所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：所述制备方法可用于两层或三层镁铝合金复合板材的加工制备。
10.如权利要求4所述的一种铝镁合金复合板材的制备方法，其特征在于：所述铝合金板材(1)为纯铝、3000系、5000系和6000系中的一种；所述镁合金板材(2)为AZ31、AZ61和AZ80中的一种。
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