CN109317811A - Az61镁合金和gh4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，包括以下步骤：选取板材为3mm厚的AZ61镁合金和2mm厚的GH4169钢板；在2mm厚的GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔；在铆孔内设置环槽结构，GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；将3mm厚的AZ61镁合金搭接在2mm厚的GH4169钢板上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理，本技术方案实现合金和钢异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成牢固的镁合金和钢异种金属材料复合构件，满足关键零部件的使用要求，解决AZ61镁合金和GH4169钢连接的难题。

Description

AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体涉及一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法。

背景技术

异种金属的焊接主要是指不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属，在限定的施工条件下焊接成符合规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。异种金属材料的焊接性包括结合性能和使用性能。异种金属焊接的结合性能，也称为工艺焊接性，指在给定的焊接工艺条件下，能够形成致密结合的焊接接头的能力；异种金属材料焊接的使用性能，也称使用焊接性，指焊后焊接接头在长期使用条件下满足使用要求的程度。合金和钢异种金属焊接中，由于合金与钢这两种异种金属材料物理化学性质的差异，导致传统的熔化焊接方法很难实现合金与钢的有效连接。

影响异种金属焊接性的主要因素有：金属的熔点、金属的线膨胀系数、金属的导热率和比热容、金属的电磁性、接头中的金属间化合物、金属的表面状态及金属之间的相溶性等。除此之外，异种金属的焊接性还与焊接工艺有关，包括焊接接头的尺寸、坡口形式、施焊方位、焊接工艺参数以及焊接过程的操作。

搅拌摩擦焊(Friction StirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)在1991年发明的一种新型的金属材料固相连接方法，它是一种在机械力和摩擦热共同作用下连续、纯机械的新型固相连接技术。在搅拌摩擦焊过程中，一个柱形轴肩和搅拌针旋转着缓慢插入被焊工件，搅拌头和被焊接材料之间摩擦剪切力产生摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化，使金属发生软化，软化后的金属发生塑性流动，在轴肩与工件表层的摩擦热和锻压力的共同作用下，使两块板搅拌混合，依靠搅拌、重结晶作用使之熔为一体，在低于熔点的焊接温度条件下，形成致密固相焊接接头。其主要特点是焊接温度明显低于熔化焊，能够有效控制界面处金属间化合物的生长，同时相比于其他焊接方式，能够降低焊接应力，减小裂纹产生的倾向，是镁合金与钢异种金属材料连接的有效方法。基于这种固相连接技术的明显优越性，使搅拌摩擦焊接技术成为世界范围内得到快速发展的焊接技术之一，尤其是应用在镁合金、镁合金、锌合金、铜合金等低熔点的有色金属焊接方面，这些金属焊接接头力学性能优良，不需要填充焊接材料，没有焊接烟尘和飞溅，焊接变形小，焊接缺陷少，接头的焊接质量高。为此这种焊接方法在世界范围内得到了快速的利用，在工程应用中带来了巨大的经济效益和社会效益。

但是，目前AZ61镁合金和GH4169钢搅拌摩擦铆焊技术还不完善，有一些技术缺陷需要改进，合金和钢异种金属材料间连接强度仍然存在较低的问题，当接头为纯机械连接时，无冶金结合，接头强度较低，气密性差，尤其是疲劳性能也较弱。为此需要改善接头强度，提高焊接质量，以获得高效节能、可靠、低成本的焊接方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出大塑性变形加上表面造型方法以及过渡层(添加微量元素)的搅拌摩擦铆焊新方法满足航空、航天、汽车等运载领域镁合金和钢复合结构重点关键部件的制造要求，采用快速大塑性变形搅拌摩擦铆焊工艺、表面造型方法和过渡层方式，实现合金和钢异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成牢固的镁合金和钢异种金属材料复合构件，满足关键零部件的使用要求，解决AZ61镁合金和GH4169钢连接的难题。

一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，包括以下步骤：

a.选取板材为3mm厚的AZ61镁合金和2mm厚的GH4169钢板；

b.在a步骤中GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔；

c.在b步骤铆孔的内表面沿着轴向设置环槽结构；GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；

d.将AZ61镁合金搭接在GH4169钢板上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理。

e.搅拌头将d步骤清理后铆孔中心线位置的镁合金进行大塑性变形硬规范工艺的搅拌摩擦铆焊形成AZ61镁合金与GH4169钢的异种金属焊接结构。

进一步，搅拌摩擦铆焊的搅拌头采用转速为800-2000r/min，搅拌摩擦焊接速度为80-600mm/min，摩擦搅拌的下压速度为0.01-10m/s。

进一步，所述搅拌头进行搅拌时，搅拌头与垂直AZ61镁合金板面方向的倾角为1.0-3.0度，压下量为0.1-0.8mm。

进一步，所述铆孔采用直线排布或者折线排列，铆孔之间间距离为3mm，铆孔截面为矩形或者梯形。

进一步，所述AZ61镁合金与GH4169钢之间设置有中间过渡层。

进一步，所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。

本发明的有益效果是：

一、针对合金与钢异种金属材料连接的目前存在的主要问题，将快速大塑性变形技术、焊接结构界面造型技术、过渡层、增强相、中间层、添加微量元素等技术有机融合，形成了一种快速塑性变形+界面造型+过渡层+增强相的高效、优质、高性能的镁合金与钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊新方法。

二、利用这种搅拌摩擦铆焊新工艺所具有的快速大变形的强化效应，界面造型钉扎固定效应，增强相的强化效应，中间层的光滑过渡固连效应，添加微量元素控制金属间化合物效应，解决搅拌摩擦铆焊和搅拌摩擦焊接连接强度低、焊接质量差的问题和对异种金属材料焊接的局限性，能够明显提高接头强度等综合机械与力学性能，改善构件的质量，延长零部件的使用寿命，满足器件、部件或者装备的苛刻的工作环境和服役要求。

三、通过建立合金与钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊热效应的流体动力学模型，掌握镁合金与钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊成形的界面行为、质量调控方法与技术手段，提出了充分发挥镁合金与钢异种金属材料各自优越性能的复合结构搅拌摩擦铆焊有效途径与可靠方式，形成了高性能镁合金与钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊新工艺的复合强韧化基础理论，解决武器装备关键零部件需要开发新技术实现镁合金与钢异种金属材料高质量焊接的难题。

四、通过快速大塑性变形(变形速度最高可达20m/s)的搅拌摩擦铆焊具有塑变效应和金属强化作用，能够改变搅拌摩擦铆焊过程中焊接流场、应力场、温度场、温度梯度和冷却速度，进而影响铆焊焊缝金属的凝固组织，对镁合金与钢异种金属铆焊的微观结构与性能产生正面的的影响作用，在这种条件下可以细化晶粒，改变晶粒取向，均匀成分，减少杂质，降低缺陷，提焊接接头的韧塑性，消减粗大组织，改善界面结合强度等特性。

五、快速大塑性变形技术、界面造型技术、中间层技术、过渡层技术、增强相技术、添加微量元素控制金属间化合物技术，能够提高镁合金与钢异种金属复合材料关键零部件性能和寿命，使接头同时具有机械结合和冶金结合的作用效果，其效果不是简单的1+1＝2，而是呈现1+1>2的综合有利作用。

六、本新型技术可以减少搅拌头摩擦埙耗，提高搅拌头的使用寿命，降低了搅拌摩擦铆焊的工艺度，可以提高铆焊速度和铆焊质量，改善接头的力学性能。降低了搅拌摩擦铆焊的缺陷，所需设备简单，生产成本较低，易于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的搅拌摩擦铆焊的示意图；

图2为铆孔带环槽结构的结构示意图；

图3为铆孔截面为梯形的结构示意图；

图4为铆孔截面为矩形的结构示意图；

图5为带中间层的搅拌摩擦铆焊的示意图；

图6为钢板表面螺旋沟槽结构俯视图；

图7为钢板螺旋沟槽结构侧视图。

附图标记：

GH4169钢板1；铆孔2；AZ61镁合金3；搅拌头4；搅拌针5；GH4169钢板与AZ61镁合金界面6；中间过渡层7；沟槽结构8。

具体实施方式

图1为本发明的搅拌摩擦铆焊的示意图，图2为铆孔带环槽结构的结构示意图，图3为铆孔截面为梯形的结构示意图，图4为铆孔截面为矩形的结构示意图，图5为带中间层的搅拌摩擦铆焊的示意图，图6为钢板表面螺旋沟槽结构示意图，图7为钢板螺旋沟槽结构侧视图，如图所示，一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，包括以下步骤：a.选取板材为3mm厚的AZ61镁合金3和2mm厚的GH4169钢板1；b.在a步骤中2mm厚的GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔2；c.在b步骤的铆孔内设置环槽结构，GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；d.将3mm厚的AZ61镁合金3搭接在2mm厚的GH4169钢板1上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理；e.搅拌头将d步骤清理后铆孔中心线位置的镁合金进行搅拌摩擦铆焊形成AZ61镁合金与GH4169钢的异种金属焊接结构。本技术方案中针对于3mm厚的AZ61镁合金3和2mm厚的GH4169钢板1，首先在GH4169钢板1上需要进行摩擦铆焊的位置开设若干个直径为3mm的铆孔2，铆孔设置完成后，将AZ61镁合金3搭接在2mm厚的GH4169钢板1上并将搭接区域、铆孔2内表面进行清理，确保摩擦铆焊的质量能够达到需要的标准，将搭接区域、以及铆孔2内表面进行清理，提升摩擦铆焊后铆钉的刚度强度保证焊接质量，当AZ61镁合金进行摩擦铆焊时，在搅拌头4的搅拌、挤压和摩擦作用下，软化的镁合金金属材料流入铆孔2中，形成镁合金自铆钉结构，由于铆孔2内部设置有环槽结构，软化的镁合金流入铆孔2中，与环槽结构适形结合形成嵌入环槽中的凸环结构，进一步的提升了部件之间的连接强度，如图6、图7，在钢板上表面即钢板与镁合金接触的面设置有沟槽结构8，沟槽结构8设置在以铆孔圆心直径为12mm的圆环区域内，沟槽结构8可设置为环形的齿状结构或者螺旋结构或者其他表面造型结构均可，沟槽结构8距离钢板表面深度为0.6mm，当摩擦铆焊加工成型后，由于螺旋沟槽结构8的设置，会使钢板与镁合金之间结合的更加紧密，整体刚度强度更好。

本实施例中，搅拌摩擦铆焊的搅拌头4采用转速为800-2000r/min，搅拌摩擦焊接速度为80-600mm/min，摩擦搅拌的下压速度为0.01-10m/s；所述搅拌头4进行搅拌时，搅拌头4与垂直AZ61镁合金板面方向的倾角为1.0-3.0度，压下量为0.1-0.8mm。针对2mmGH4169钢板1和3mmAZ61镁合金3而言，优选的，搅拌头4转速为1500r/min，搅拌摩擦焊接速度为200mm/min，下压速度为0.5m/s，搅拌头4倾角为3°，压下量为0.5mm，焊接部位以及铆钉的刚度强度更好，焊接的整体性能更佳，克服传统工艺的不足，同时保证了所需要的性能。

本实施例中，所述铆孔2采用直线排布或者折线排列，铆孔2之间间距离为3mm。优选的，铆孔2采用折线排布的方式设置，孔与孔之间的间距设置为3mm，方便于整体进行摩擦铆焊，折线排布的方式对金属板之间还具有一定的抗扭矩的作用，3mm的孔距方便于搅拌针5与金属板之间进行搅拌摩擦，加工更加方便，当然，本发明提供的镁合金和钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，钢侧预制的孔截面为等截面，也可以设置为变截面；钢侧预制的单一孔为通孔，或者盲孔均可，孔排布时全部为通孔，或者全部为盲孔；或者盲孔和通孔的混合孔；采用铆孔加工形成的镁合金自铆铆钉结构具有更好的连接强度，加工更为方便；孔的排布方式可设计成曲线排列，或者按照其他几何规律排列；孔和钢的上表面为光滑过渡的非直角形式，从而形成自铆钉根部为光滑过渡结构；进一步加强部件之间的连接强度；通过孔造型特别适用于镁合金和钢这类铆焊较困难的异种金属，可更有效地改善有色金属与黑色金属的搅拌摩擦铆焊强度和质量，从而实现镁合金和钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊焊接。

本实施例中，所述3mm厚AZ61镁合金3与2mm厚GH4169钢1之间设置有中间过渡层7。中间过渡层7采用电镀、熔覆、喷涂、渗透、冲击、碾压、包覆、堆焊、压制工艺制备，该过渡层与镁合金和钢均有良好的亲和力，能够与钢和镁合金互溶，对于钢和镁合金的连接起到良好的桥梁作用，过渡层的元素、镁合金和钢元素能够相互扩散融合形成牢固的冶金结合或者金属间化合物，形成牢固的镁合金和钢异种金属搅拌摩擦铆焊接头，满足工程使用的强度要求。

本实施例中，所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。搅拌针5对AZ61镁合金3和GH4169钢1界面金属的搅拌摩擦作用，促进界面处过渡层金属元素与基体元素的相互混合和扩散，产生冶金结合，形成牢固的AZ61镁合金3和GH4169钢1异种金属接头，满足构件的使用强度要求，从而实现镁合金和钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊的工艺。镁合金和钢板的界面的过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料(如纳米Ag)，或者颗粒增强材料(如SiC颗粒)。

本实施例中，在搅拌摩擦铆焊时，镁合金材料只是在单一轴向力的作用下塑变、流动并填充钢侧的预制铆孔从而形成镁合金自铆柱，高质量镁合金自铆柱的形成需要镁合金材料在钢铆孔中必须具备合适的径向载荷分布与有效传递条件，而在常规搅拌摩擦铆焊单一轴向加载条件下很难形成良好的径向载荷分布状态与有效传递，因此，镁合金与钢异种材料搅拌摩擦铆焊接头的综合性能受限。本发明采用快速大塑性变形搅拌摩擦铆焊新方法，利用快速大塑性变形搅拌摩擦铆焊新工艺具有的快速大变形的强化效应，改善径向载荷分布状态与有效传递，优化焊接接头微观组织，获得优质焊接接头，有效克服现有技术存在的界面结合能力较差的关键技术问题，从而改善镁合金和钢异种金属材料铆焊接头的强度和质量，延长镁合金和钢复合金属材料结构件的使用寿命。

本发明提出搅拌摩擦铆焊结构界面造型设计及其优化技术，利用焊接结构界面造型钉扎固定效应，可有效克服现有技术的不足，提供另一种有效改善径向载荷分布状态与有效传递的手段，提高焊接接头力学性能，延长构件的使用寿命。

本发明采用搅拌摩擦铆焊过渡层与增强相方法，通过过渡层与增强的作用，使得互溶困难的镁合金与钢异种材料搅拌摩擦铆焊接头同时存在着机械结合和冶金结合，接头承载能力得到较大的提升，解决镁合金与钢异种材料因互溶困难导致界面弱结合的问题，形成牢固的界面结合，全面提升铆焊质量。同时，采用预镀层、表面堆焊、加入中间层或添加微量元素的方法制备中间层也是为了抑制镁合金与钢异种材料熔钎焊过程中金属间化合物的产生，以控制金属间化合物的厚度，可以改善焊接接头的力学性能，提高焊接质量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.选取板材为3mm厚的AZ61镁合金和2mm厚的GH4169钢板；

b.在a步骤中GH4169钢板上设置若干个直径为3mm的铆孔；

c.在b步骤铆孔的内表面沿着轴向设置环槽结构；GH4169钢板上表面设置以铆孔为中心向外延伸的环状沟槽结构；

d.将AZ61镁合金搭接在GH4169钢板上并将搭接区域、铆孔内表面进行清理；

e.搅拌头将d步骤清理后铆孔中心线位置的镁合金进行大塑性变形硬规范工艺的搅拌摩擦铆焊形成AZ61镁合金与GH4169钢的异种金属焊接结构。

2.根据权利要求1所述的AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：搅拌摩擦铆焊的搅拌头采用转速为800-2000r/min，搅拌摩擦焊接速度为80-600mm/min，搅拌摩擦铆焊的下压速度为0.01-10m/s。

3.根据权利要求2所述的AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：所述搅拌头进行搅拌时，搅拌头与垂直AZ61镁合金板面方向的倾角为1.0-3.0度，压下量为0.1-0.8mm。

4.根据权利要求1所述的AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：所述铆孔采用直线排布或者折线排列，铆孔之间间距离为3mm，铆孔截面为矩形或者梯形。

5.根据权利要求4所述的AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：所述AZ61镁合金与GH4169钢之间设置有中间过渡层。

6.根据权利要求5所述的AZ61镁合金和GH4169钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。