CN109986231A - 一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法 - Google Patents

一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法。所述接头由上到下依次为铝合金、Zr中间层、镁合金；所述中间层为厚度0.05～0.25mm的Zr箔。制备方法中，采用固相焊接技术、中间层、环境降温的综合作用来制备异种轻金属接头，即利用搅拌摩擦焊技术在水冷环境中制备含Zr中间层的铝/镁异种合金接头，得到了目的异种接头。本发明降低了焊接热输入，改善了接头的组织结构，从而提高了接头的力学性能。

Description

一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法
技术领域
本发明属于异种材料连接技术领域，具体涉及铝合金与镁合金异种接头的制备方法。
背景技术
汽车轻量化对于减少排放、降低油耗、推动汽车工业可持续发展具有重要意义，已成为现阶段汽车技术的重要发展方向。研究表明，汽车重量每减少10％，油耗会降低6％～8％，尾气排放量下降4％，可见汽车轻量化是促进汽车实现节能减排的有效途径。
优化车身结构、采用先进制造工艺、应用高强轻质材料是实现汽车轻量化的三大途径，其中通过合适工艺以铝合金和镁合金替代传统钢材可取得显著的轻量化效果。铝合金和镁合金是重要的汽车轻量化材料，可用于制造汽车活塞、轮毂、气缸盖、车身结构件和覆盖件等零部件，提高它们在多材料车身中的应用比例是目前汽车轻量化领域的研究热点，相应的两种材料的连接技术对于汽车安全至关重要。
氩弧焊、电阻焊、激光焊等传统熔焊工艺会在铝/镁异种合金的连接界面处形成与母材物理化学性质差异较大的Al-Mg金属间化合物，这些硬而脆的有害相会引发接头产生应力变形，降低接头力学强度，诱发接头断裂，因此需要开发高强度铝/镁异种合金接头的制备方法。
搅拌摩擦焊作为一种新型固相焊接技术，具有产热少、热变形小、无需焊料、高效环保的优点，所得接头组织均匀致密、残余应力低、力学性能高。通过在铝/镁搅拌摩擦焊接头中设计并制备适当的中间层，可有效改善接头的微观组织结构，抑制Al-Mg金属间化合物的形成，从而提高接头的力学性能。
发明内容
本发明针对当前连接技术制备的铝/镁异种合金接头中极易形成硬而脆的Al-Mg金属间化合物，导致接头力学性能下降的问题，提供了一种高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法。该接头为搭接形式，由下往上依次为镁合金、Zr箔、铝合金。制备方法中，采用固相焊接技术、中间层、环境降温的综合作用来制备异种轻金属接头，即利用搅拌摩擦焊技术在水冷环境中制备含Zr中间层的铝/镁异种合金接头，通过恰当的工艺参数组合，得到了目的异种接头。本发明降低了焊接热输入，改善了接头的组织结构，从而提高了接头的力学性能。
本发明的技术方案为：
一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，所述接头由下到上依次为镁合金、Zr中间层、铝合金；所述中间层为厚度0.05～0.25mm的Zr箔。
所述铝合金为5系或6系铝合金板材，所述镁合金为AZ系或AM系镁合金板材。
所述含中间层的铝/镁异种合金接头的抗拉强度为10.5～15.8kN/100mm。
一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，包括如下步骤：
第一步：焊前预处理
对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10～20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为50～75mm，Zr箔厚度为0.05～0.25mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材；
优选地，搭接区宽度为55～70mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm。
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为10～30℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾1～3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为1500～2500rpm，焊速为300～600mm/min，搅拌针压入上层板材深度为3.5～5.5mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
优选地，冷却水温度为15～25℃，搅拌针向焊接方向前倾2～3°，转速为1800～2200rpm，焊速为350～500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0～5.0mm。
上述制备方法可得到含Zr中间层的铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头。搅拌摩擦焊作为一种先进的固态焊接工艺，可以通过摩擦热、金属混合、剧烈塑性变形的综合作用提高铝合金与镁合金之间的连接强度；通过Zr中间层的化学改性和物理隔热综合作用可有效抑制Al-Mg金属间化合物的形成；通过水冷降温，可减小焊接过程的热输入，进一步减少Al-Mg金属间化合物的数量。搅拌摩擦焊、中间层调控与水冷降温的综合利用可减少铝/镁异种接头中Al-Mg金属间化合物的形成，提高接头力学性能。
本发明的有益效果为：
(1)发明人通过大量试验，得到了最优的工艺参数范围，即搭接区宽度为55～70mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm，冷却水温度为15～25℃，搅拌针向焊接方向前倾2～3°，转速为1800～2200rpm，焊速为350～500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0～5.0mm。在此工艺参数范围内，可以减少接头中Al-Mg金属间化合物的形成，提高接头力学性能。
(2)Zr中间层可有效改善铝/镁异种合金接头的微观组织，这主要表现在以下两个方面。a)化学改性作用：Zr-Al金属间化合物的物理性能优于Al-Mg金属间化合物，Zr与Mg之间不形成金属间化合物，Zr可通过化学改性作用抑制Al-Mg金属间化合物的形成；b)物理隔热作用：Zr元素具有良好的热稳定性，可以作为隔热层降低母材连接界面处的元素互扩散活性，从而减少Al-Mg金属间化合物的数量。
(3)搅拌摩擦焊是一种先进的固相焊接技术，在所述转速和焊速的工艺参数范围内，可促进Zr中间层与母材的混合程度，使界面处形成牢固的机械互锁结构。转速过低、焊速过高时，材料塑性流动不充分，相互之间的混合程度不足；转速过高、焊速过低时，会产生过量的摩擦热，极易形成大量硬而脆的Al-Mg金属间化合物，成为微裂纹源，对接头强度不利。根据本发明工艺，可以得到良好的接头力学强度，接头抗拉强度达到10.5～15.8kN/100mm，与不含Zr中间层的铝/镁异种合金接头相比，抗拉强度提高了60～90％。
附图说明
图1：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的截面形貌对比；其中，图1a为铝/镁异种合金接头的截面形貌；图1b为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头的截面形貌；
图2：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的微观形貌对比；其中，图2a为铝/镁异种合金接头搅拌区的微观形貌；图2b为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区的微观形貌；图2c为铝/镁异种合金接头搅拌区Z1区域的放大形貌；图2d为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区Z3区域的放大形貌；图2e为铝/镁异种合金接头搅拌区Z2区域的放大形貌；图2f为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区Z4区域的放大形貌；
图3：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的力学性能对比。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明中一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，包括如下步骤：
第一步：焊前预处理
对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10～20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为50～75mm，优选55～70mm，Zr箔厚度为0.05～0.25mm，优选0.10～0.20mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材。
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为10～30℃，优选15～25℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾1～3°，优选2～3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为1500～2500rpm，优选1800～2200rpm，焊速为300～600mm/min，优选350～500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为3.5～5.5mm，优选4.0～5.0mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
将本发明所述方法制备的含Zr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头进行表面和横截面微观组织结构分析，可知该接头从焊接中心线向外依次分为搅拌区、热力影响区、热影响区和母材区四个区域，Zr中间层有效减少了界面处Al-Mg金属间化合物的形成，搅拌区中铝合金、Zr中间层与镁合金相互混合形成机械互锁结构，实现两种材料的连接。
本发明中，使用的搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，具有产热少、热变形小、无需焊料、高效环保的优点，所得接头组织均匀致密、残余应力低、力学性能高。Zr元素可有效细化铝合金和镁合金的晶粒尺寸，Zr-Al金属间化合物的物理性能优于Al-Mg金属间化合物，Zr与Mg不形成金属间化合物，同时Zr元素具有良好的热稳定性，可减缓母材之间的元素互扩散作用，以Zr箔作为中间层可通过化学改性和物理隔热的综合作用抑制铝/镁异种合金接头中Al-Mg金属间化合物的形成。为降低焊接热输入，进一步减少接头中Al-Mg金属间化合物的数量，焊接过程在水冷环境中进行。
下面通过具体实施例进行详细介绍。
实施例1：
第一步：焊前预处理
对待焊5052铝合金板材和AM50镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗15min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为55mm，Zr箔厚度为0.10mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材。
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为15℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾2°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为1800rpm，焊速为350mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
对比例1：
其它步骤同实施例1，不同之处是镁合金和铝合金中间没有Zr箔。
对实施例1和对比例1中制得的试样进行结构分析和性能检测：
(1)Zr中间层对铝/镁异种合金接头截面形貌的影响：
采用光学显微镜对接头的截面形貌进行观察。由附图1a可知，上层5052铝合金与下层AM50镁合金通过搅拌区连接在一起，搅拌区底部出现一些微小孔洞，这是由于热输入不当而引起的；由附图1b可知，接头截面为三明治夹层结构，从上到下依次为5052铝合金、Zr中间层和AM50镁合金，位于搅拌区的Zr中间层被搅拌头破碎而与母材相互混合，远离搅拌区的Zr中间层未受到破坏，稳定地存在于母材连接界面处；此外，搅拌区底部仍存在少量孔洞缺陷。
由此可以得出，实施例所述焊接工艺成功地将Zr中间层添加到了铝/镁异种合金接头中。
(2)Zr中间层对铝/镁异种合金接头微观形貌的影响：
采用扫描电镜对接头的微观形貌进行观察。由附图2a可知，锥状的搅拌区具有两种形貌，上端为复杂的涡流状形貌，下端为简单的均匀形貌；由附图2b可知，位于搅拌区的Zr中间层被破碎成不规则片状，呈现亮白色；由附图2c可知，附图2a中的局部放大区域Z1可观察到明显的Al-Mg金属间化合物，它们为暗黑色流线状形貌；由图2d可知，附图2b中的局部放大区域Z3由亮白色Zr碎片、灰色基体和暗黑色流线状Al-Mg金属间化合物构成，与Z1区域相比，Al-Mg金属间化合物的数量有所减少；由附图2e可知，附图2a中的局部放大区域Z2出现厚度约3μm的Al-Mg金属间化合物层；由附图2f可知，附图2b中的局部放大区域Z4的Al-Mg金属间化合物层厚度减小到约1.5μm。
因此，与不含Zr中间层的接头相比，含Zr中间层的接头搅拌区Al-Mg金属间化合物数量有所减少，界面处Al-Mg金属间化合物层厚度有所下降，Zr中间层改善了接头的微观组织结构。
(3)Zr中间层对铝/镁异种合金接头力学性能的影响：
采用轴向拉伸试验测试接头的力学性能，温度25℃，应变速率0.5mm/min。由附图3可知，实施例1中所得不含Zr中间层接头的抗拉强度为6.6kN/100mm，含Zr中间层接头的抗拉强度达到10.5kN/100mm，Zr中间层使接头的抗拉强度提高了60％。
实施例2：
第一步：焊前预处理
对待焊5086铝合金板材和AZ31镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗15min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为65mm，Zr箔厚度为0.15mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材。
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为20℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾2.5°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为2000rpm，焊速为450mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.5mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
对比例2：
其它步骤同实施例2，不同之处是镁合金和铝合金中间没有Zr箔。
经结构分析和性能检测，相比于对比例2所得接头，实施例2所得接头的内部缺陷有所减少，搅拌区孔洞尺寸较小；接头搅拌区Al-Mg金属间化合物的数量明显降低，母材连接界面处的Al-Mg金属间化合物层厚度有所减小，接头抗拉强度为13.6kN/100mm，提高了73％。
实施例3：
第一步：焊前预处理
对待焊6061铝合金板材和AZ91D镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗15min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为70mm，Zr箔厚度为0.20mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材。
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为25℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为2200rpm，焊速为500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为5.0mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
对比例3：
其它步骤同实施例3，不同之处是镁合金和铝合金中间没有Zr箔。
经结构分析和性能检测，相比于对比例3所得接头，实施例3所得接头的内部未发现明显的缺陷；接头搅拌区Al-Mg金属间化合物的数量进一步降低，母材连接界面处的Al-Mg金属间化合物层不明显，接头抗拉强度为15.8kN/100mm，提高了90％。
经本发明所述方法制备的含Zr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头具有良好的力学性能。一方面，位于搅拌区的Zr中间层被搅入母材中发挥化学改性作用，抑制Al-Mg金属间化合物的形成；另一方面，位于搅拌区以外的Zr中间层稳定地存在于母材连接界面处发挥物理隔热作用，降低Al和Mg的互扩散活性，减少Al-Mg金属间化合物的数量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (6)

1.一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述接头由下到上依次为镁合金、Zr中间层、铝合金；所述中间层为厚度0.05~0.25mm的Zr箔。
2.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述铝合金为5系或6系铝合金板材，所述镁合金为AZ系或AM系镁合金板材。
3.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述含中间层的铝/镁异种合金接头抗拉强度为10.5~15.8kN/100mm。
4.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，其特征为包括如下步骤：
第一步：焊前预处理
对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10~20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为50~75mm，Zr箔厚度为0.05~0.25mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材；
第二步：搅拌摩擦焊
将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为10~30℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾1~3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为1500~2500rpm，焊速为300~600mm/min，搅拌针压入上层板材深度为3.5~5.5mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。
5.如权利要求4所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，其特征为搭接区宽度为55~70mm，Zr箔厚度为0.10~0.20mm。
6.如权利要求4所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，其特征为第二步中冷却水温度为15~25℃，搅拌针向焊接方向前倾2~3°，转速为1800~2200rpm，焊速为350~500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0~5.0mm。
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