CN111203671B - 一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅5~10%，铜3~5%，镍4~10%，钴≤3%，余量为铝。其能够充分满足铝/钢填材搅拌摩擦焊工业化生产的需要，提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉性能、塑韧性能及弯曲性能。本发明还公开了一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其较为精练，铸锭无需轧制，容错率高。

Description

一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊焊接材料，具体涉及一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法。

背景技术

低碳发展、节约能源、减少资源浪费的技术诉求呈现在加工制造业人员面前，这也成为了现阶段科研工作与实际生产生活的时代背景。随着铁路客车、汽车等大众交通工具制造业的迅猛发展，特别是高速铁路客车、航空航天工业、造船业的快速发展，轨道交通工具轻量化、以铝代钢的结构轻量化趋势在大的时代背景下，搅拌摩擦焊作为最有效、最直接的技术实现途径，科研工作者已经在汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体、底盘结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零部件、空调器、散热器、车身板、轮毂等方面大胆尝试使用铝/钢复合结构。由于铝合金与钢之间物理性质差异大等问题，熔化焊等传统熔焊技术难以获得成型好、性能优的焊接接头。

国内外学者对铝/钢搅拌摩擦焊研究后发现，利用搅拌摩擦焊技术焊接Fe/Al异种金属可获得铝/钢搅拌摩擦焊接头，但接头强度不高，抗弯性能不足，从而制约了搅拌摩擦焊在铝/ 钢异种金属连接中的发展。搅拌摩擦焊焊接过程中，铝/钢母材直接接触，生成较厚的硬而脆的Fe/Al金属间化合物，同时，由于铝合金和钢线膨胀系数相差较大，焊后接头存在较大残余应力，极易导致接头界面处开裂，难以走向实际生产生活。

为了解决铝/钢搅拌摩擦焊接头强度不足的难题，专家学者们在外加辅助热源、改变搅拌头形状等方面开展了研究。针对外加辅助热源来讲，该方法通过提高焊接热输入，使得焊接母材充分软化，改善母材金属的流动性能从而获得成性良好的搅拌摩擦焊接头。但较高的热输入促进了铝/钢界面反应，大量生成的IMCs沿界面连续分布造成接头强度明显下降。针对搅拌头形状来讲，该方法通过改变搅拌头的形状，增强搅拌头产热、带动金属流动的能力。但愈加复杂的搅拌头形状愈加难以加工，并且采用普通材料制造的搅拌头在对钢母材进行搅拌摩擦焊时磨碎严重，寿命极短，钨铼合金在文献中多有提及，但高额的原材料及加工价格使其难以得到普及。

CN107414283A公开了一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其涉及一种填材搅拌摩擦焊方法，该方法在铝/钢母材之间填加了Al-5Si焊材，不仅避免了待焊母材直接接触，阻碍了Fe/Al元素之间扩散，而且起到了润滑剂的作用，减少了焊接过程中搅拌头与母材之间的摩擦生热，减少了Fe-Al脆性金属间化合物的形成，显著地提高了铝/ 钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度。

但现有的焊材种类难以满足日渐增高的接头性能要求，张鑫等进行了加中间层(如 Zn、Al-5Si)的搅拌摩擦焊研究，研究结果表明中间层的加入能有效地提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度，但仍存着抗拉强度低、弯曲性能极差等难以克服的问题。Al-Si系焊材能有效减少Fe-Al金属间化合物的生成，从而显著的提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度，但是其单一的元素组成不仅限制了接头强度的进一步提高，而且由于Fe、Al、Si之间形成的化合物塑韧性能较差，即使有较高的接头强度也难以在实际生产中得到应用。Zn-Al系焊材熔点低于搅拌摩擦焊焊接温度，焊接过程中，大量的液态金属在搅拌头顶锻力的作用力流出焊缝，造成金属缺失、焊缝出现孔洞等缺点，同时Zn大量挥发，不仅污染环境，同时会严重伤害操作人员的身体健康，这与搅拌摩擦焊自身绿色环保的技术优势背道而驰。

Si、Cu等元素含量很高时，在钎料组织中会形成大量的脆性相，如针状A1-Si共晶，或 Al-Si-Cu共晶，甚至块状的Si初晶，使针料本身的性能显著脆化，几乎完全没有韧性和塑性，脆断倾向极大，往往在服役条件下接头突然失效，造成整个铝/钢结构件突然断裂，从而酿成设备事故。

目前，许多学者进行了Al-Si-Cu-Ni类型的多种铝基钎料的制备及其铝合金钎焊研究，研究结果表明Al-Si-Cu-Ni类型钎料能有效改善接头成分，改变接头中组织转变从而提高铝合金钎焊的接头强度。虽然文献中涉及的Al-Si-Cu-Ni钎料的在钎焊方面的优势有值得借鉴的地方，但因为Al-Si-Cu-Ni钎料熔点低于里铝合金母材熔点、钎料中Cu、Si等元素较高的含量导致其不能用于铝/钢搅拌摩擦焊中，在目前也未发现将Al-Si-Cu-Ni类型的钎料用于铝 /钢搅拌摩擦焊中的实例。

CN101811237A公开了一种Al-Si-Cu-Ni合金态箔状钎料及其制备方法，其所涉及的 Al-Si-Cu-Ni合金态箔状钎料合金度高、熔点低于铝合金母材、成分均匀、外观平滑、宽度大，厚度仅为0.07mm～0.15mm，极大地拓展了钎料的使用范围。但是该钎料属于铝合金钎焊技术中的中温钎料，主要应用于纯铝、6061、6063、3A21等铝合金的钎焊。所述的 Al-Si-Cu-Ni合金态箔状钎料熔点为500～562℃，由于其钎料熔点较低，钎料流动性能较强，在搅拌头的压力下极易流出焊接区域，导致焊缝金属缺失，进而在焊缝中出现孔洞等缺陷，因此无法用作铝/钢填材搅拌摩擦焊的焊材。

CN101214592公开了一种铝基钎料及其制备方法，其所涉及的铝基钎料具有熔点低的特点，固相线为495～510℃，液相线为540～550℃，特用于高强度铝合金构件钎焊，其两待母材为同质，其焊接方法为钎焊，其涉及到的元素种类及各元素所占质量百分比范围均为钎焊方法设计，其较低的钎料熔点温度与铝/钢填材搅拌摩擦焊焊接温度相近，因此钎料易熔化后流出焊缝，造成焊接缺陷，极大地影响了接头强度。因此该铝基钎料不适用于固相焊方法中的搅拌摩擦焊。

CN103934591B公开了一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料及其制备方法，所述钎料由铝、硅、铜、锌、锰、镁、锶组成，各组分的质量百分含量分别为：硅3.50％～4.50％、铜17％～23％、锌10％～24％、锰0.80％～1.20％、镁0.80％～1.20％、锶0.02％～0.08％，余量为铝。其所涉及的铝基钎料具有熔点低、钎焊工艺优良和成本低的优点，广泛用于铝基材料钎焊，特别是Al-Mg合金材料的钎焊。所述的铝基钎料熔点为480℃～500℃，该温度低于已知的搅拌摩擦焊的峰值温度，若用于填材搅拌摩擦焊则会在焊接过程中造成焊材熔化、溢出焊缝，使得接头难以成形，因此该Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料同样不适用于固相焊方法中的搅拌摩擦焊。

现用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的焊材(或中间层)如Zn、Al-5Si均有不能满足铝/钢填材搅拌摩擦焊使用要求的不足之处，而当前已有的Al-Si-Cu-Ni-Co类型钎料因其自身物化性能及应用领域的要求与铝/钢填材搅拌摩擦焊所需焊材的要求区别较大。当Al-Si-Cu-Ni-Co作为钎料用于铝合金钎焊时，钎料需制成箔状且熔点必须低于铝合金母材熔点以保证钎料充分熔化，并且能够在母材上进行铺展润湿以获得性能优良的钎焊接头。当Al-Si-Cu-Ni-Co作为焊材用于铝/钢搅拌摩擦焊时，焊材厚度可达1.0mm且熔点必须略低于铝合金母材的熔点，保证焊材在既能够充分地流动，填充焊缝，也不会在搅拌头挤压下流出焊缝。综合以上两点论述，Al-Si-Cu-Ni-Co类钎料不能直接用于铝/钢填材搅拌摩擦焊，因此，目前在填材搅拌摩擦焊技术领域还没有解决能够使铝/钢搅拌摩擦焊接头同时具有高强度与高塑韧性综合特性的焊材，在一定程度上制约了铝合金与钢异种金属复合构件的推广和实际应用，进一步限制了结构轻量化的向前发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法，其能够充分满足铝/钢填材搅拌摩擦焊工业化生产的需要，提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉性能、塑韧性能及弯曲性能。

本发明所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅5～10％，铜3～5％，镍4～10％，钴≤3％，余量为铝。

进一步，按重量百分比计包括如下组分：硅8.5～9.5％，铜3.5～4.5％，镍5.5～6.5％，余量为铝。

进一步，铝基焊材的硬度为60～100HV，熔点为580～620℃。

进一步，铝基焊材的硬度为64～70HV，熔点为600～615℃。

一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一，配料，按照上述的铝基焊材各组分的重量百分比配制炉料，铝以纯金属形式配比，硅、铜、镍和钴以中间合金形式配比，将配制的炉料放入熔炼炉中，预热；

步骤二，熔铸，将熔炼炉升温至730～850℃，恒温保温至炉料熔化，然后扒渣并充分搅拌后，在熔体表面撒上覆盖剂，保温15±1min，再扒渣并充分搅拌后，添加精炼剂进行精炼，最后将精炼后的熔体在氩气保护下浇铸成型，得到铸锭；

步骤三，加工成型，将铸锭切割打磨至成品尺寸；

步骤四，退火，退火温度为350～450℃，退火时间为90～180min，随炉冷却，得到用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材。

进一步，所述步骤一的预热温度为200～300℃，预热时间为20±5min。

进一步，所述步骤一中将配制的炉料切割为片状，纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝钴中间合金由下至上依次叠放组成一个放置单元，多个放置单元上下叠放入石墨坩埚后置于熔炼炉中。

进一步，所述步骤二中的精炼为：采用石墨罩将精炼剂压入石墨坩埚中熔体的底部，再提起石墨罩，精炼10±1min，然后扒渣并充分搅拌后，重复精炼一次。

进一步，所述步骤三中铝基焊材的成品形状为方条状、方片状、圆片状、圆环状或圆筒状，根据具体的焊接需求将铝基焊材制成相应形状的成品，扩大铝基焊材的应用范围。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明的硅元素能够抑制Fe/Al金属元素之间的相互扩散，减薄Fe/Al金属间化合物，有助于接头抗拉强度的提升。铜元素能够降低带状焊材的熔点，增强了铝基焊材在焊接区域中的流动能力，有助于促进界面高质量的结合。镍、钴两种元素自身具有良好的韧性，不仅进一步提高了接头抗拉强度，而且极大地降低了界面脆性，提高了焊接接头的强韧性能，与此同时，两种活性元素Ni和Co使得接头具有一定的抗腐蚀能力。

2、本发明所述的铝基焊材，通过限定铝基焊材中硅的含量为5～10％，铜的含量为3～5％，相较于现有的Al-Si-Cu-Zn系铝基钎料，铜含量明显较低，且合金度也较低，因此使得铝基焊材具有较低的熔点580～620℃、较低的硬度60～100HV，有利于焊接区域金属流动、混合、结合，缓冲界面残余应力，从而提高了接头强度，使得接头的抗拉强度大于200MPa。由于铝基焊材在焊接过程中能够充分软化，从而良好地填充焊缝间隙、孔洞，又因适中的硬度保证了铝基焊材不会在搅拌头的顶锻力下被挤出焊缝，也不会容易发生崩裂，以碎屑、颗粒的形式飞出对接间隙，所以在焊缝内部无隧道型孔洞等缺陷出现。

3、本发明所述的铝基焊材的熔点略高于铝/钢搅拌摩擦焊焊接温度，与铝合金母材熔点相仿，焊接过程中的流动行为与铝合金相似；其硬度略低于铝合金母材，在焊接过程中能够有效填充孔洞，却不会在搅拌头的顶锻力下溢出焊缝，降低了接头界面温度和界面应力，有效提高了铝/钢搅拌摩擦焊接头的强韧性能，特别是接头的抗弯曲能力，接头的抗弯角度大于13°。并且铝基焊材的使用避免了铝/钢母材在焊接过程中的直接接触，改变了金属间的摩擦系数，降低了焊接温度，减少了金属间化合物生成，从而降低了焊后残余应力，同时采用Al-Si-Cu-Ni-Co焊材能够在接头界面处形成大量的弥散强化相，既能够显著提高接头的抗拉强度，又能够明显提高接头的抗弯性能，从根本上保证了铝/钢异种金属的高质量焊接，充分满足了铝/钢填材搅拌摩擦焊工业化生产的需要。

4、本发明所述的铝基焊材有利于在搅拌摩擦焊焊接接头界面处形成良好的冶金结合，界面处元素扩散充分，冶金反应充分且适当，恰当的IMCs层厚度使得界面既具有较高的强度，又不会因为过厚的IMCs层导致界面塑韧性较差。

5、本发明所述的制备方法工艺简单，铸锭无需轧制，容错率高，并且若对该成分的铝基焊材进行轧制，存在轧裂风险，因此省去轧制工序，由焊接过程中的搅拌头提供的极大的顶端压力及充分的搅拌力，达到轧制效果，使得焊接区域塑性金属成型更加致密，晶粒更加细化，焊材中的元素能够被充分的混合、稀释，使得焊材分布更加均匀，界面应力降低。

6、本发明的铝基焊材在保证焊材质量的同时，使得焊材具有极强的可加工性能，多种尺寸、形状的铝基焊材能更广泛的适用于各种接头形式，适应性强，节省了大量生产时间，提高了生产效率。

附图说明

图1是采用Al-5Si焊材得到的铝/钢填材搅拌摩擦焊接头形貌示意图；

图2是图1的局部放大示意图；

图3是采用实施例一的铝基焊材得到的铝/钢填材搅拌摩擦焊接头形貌示意图；

图4是图3的局部放大示意图；

图5是片状炉料在石墨坩埚中的放置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例一，一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅9％，铜4％，镍2％，余量为铝，合金度为15％，该铝基焊材的制备方法包括如下步骤：

步骤一，配料，按照上述的铝基焊材各组分的重量百分比配制炉料，铝以纯金属形式配比，硅、铜、镍以中间合金形式配比，将配制的炉料切割为片状，反复打磨去除片状炉料表面氧化物、清洗、烘干后称量。参见图5，纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金和铝镍中间合金由下至上依次叠放组成一个放置单元，需要说明的是，若添加了钴元素，则铝钴中间合金放置于铝镍中间合金上方。石墨坩埚酸洗干净，然后多个放置单元上下叠放入石墨坩埚后置于熔炼炉中，在温度为200℃的条件下预热20min。

称量覆盖剂和精炼剂，覆盖剂为质量比为1:1的NaCl-KCl熔盐，其添加量为熔炼后的铸锭总质量的3～6％。精炼剂为六氯乙烷，称取两份，每份质量为熔炼后的铸锭总质量的0.5～1％。

步骤二，熔铸，以15℃/min的速率将熔炼炉升温至765℃，恒温保温15min至炉料熔化，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，在熔体表面撒上覆盖剂，在765℃的条件保温15min，再扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩将一份精炼剂压入石墨坩埚中熔体的底部，再提起石墨罩，在温度为765℃的条件下精炼10min，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩添加另一份精炼剂重复精炼一次。最后将精炼后的熔体在氩气保护下倒入模具浇铸成型，得到铸锭；

步骤三，加工成型，使用电火花线切割机将铸锭切割成所需形状、尺寸，打磨、清洗后得到尺寸准确、表面整洁的铝基焊材半成品；

步骤四，退火，对步骤三得到的铝基焊材半成品进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为120min，随炉冷却，得到用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材。

根据国家标准对按照上述制备方法得到的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材进行性能检测，各项指标为：固相线温度为557℃，液相线温度即熔点为615℃，显微硬度为64.3HV，带状焊材自身抗拉强度176.9MPa。

实施例二，一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅9％，铜4％，镍3.5％，余量为铝，合金度为16.5％，该铝基焊材的制备方法包括如下步骤：

步骤一，配料，按照上述的铝基焊材各组分的重量百分比配制炉料，铝以纯金属形式配比，硅、铜、镍以中间合金形式配比，将配制的炉料切割为片状，反复打磨去除片状炉料表面氧化物、清洗、烘干后称量。参见图5，纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金和铝镍中间合金由下至上依次叠放组成一个放置单元，石墨坩埚酸洗干净，然后多个放置单元上下叠放入石墨坩埚后置于熔炼炉中，在温度为200℃的条件下预热20min。

称量覆盖剂和精炼剂，覆盖剂为质量比为1:1的NaCl-KCl熔盐，其添加量为熔炼后的铸锭总质量的3～6％。精炼剂为六氯乙烷，称取两份，每份质量为熔炼后的铸锭总质量的0.5～1％。

步骤二，熔铸，以15℃/min的速率将熔炼炉升温至750℃，恒温保温15min至炉料熔化，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，在熔体表面撒上覆盖剂，在750℃的条件保温15min，再扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩将一份精炼剂压入石墨坩埚中熔体的底部，再提起石墨罩，在温度为750℃的条件下精炼10min，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩添加另一份精炼剂重复精炼一次。最后将精炼后的熔体在氩气保护下倒入模具浇铸成型，得到铸锭；

步骤三，加工成型，使用电火花线切割机将铸锭切割成所需形状、尺寸，打磨、清洗后得到尺寸准确、表面整洁的铝基焊材半成品；

步骤四，退火，对步骤三得到的铝基焊材半成品进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为120min，随炉冷却，得到用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材。

对按照上述制备方法得到的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材进行SEM分析，可知铝基焊材中包含Al-0.04Si-0.2Cu-0.18Ni、Al-0.05Si及Al-0.2Cu-0.18Ni相。

根据国家标准对按照上述制备方法得到的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材进行性能检测，各项指标为：固相线温度为559℃，液相线温度即熔点为608℃，显微硬度为65.8HV，带状焊材自身抗拉强度σ_b＝183.7MPa。

实施例三，一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅9％，铜4％，镍6％，余量为铝，合金度为19％，该铝基焊材的制备方法包括如下步骤：

步骤一，配料，按照上述的铝基焊材各组分的重量百分比配制炉料，铝以纯金属形式配比，硅、铜、镍以中间合金形式配比，将配制的炉料切割为片状，反复打磨去除片状炉料表面氧化物、清洗、烘干后称量。参见图5，纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金和铝镍中间合金由下至上依次叠放组成一个放置单元，石墨坩埚酸洗干净，然后多个放置单元上下叠放入石墨坩埚后置于熔炼炉中，在温度为200℃的条件下预热20min。

称量覆盖剂和精炼剂，覆盖剂为质量比为1:1的NaCl-KCl熔盐，其添加量为熔炼后的铸锭总质量的3～6％。精炼剂为六氯乙烷，称取两份，每份质量为熔炼后的铸锭总质量的0.5～1％。

步骤二，熔铸，以15℃/min的速率将熔炼炉升温至765℃，恒温保温15min至炉料熔化，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，在熔体表面撒上覆盖剂，在765℃的条件保温15min，再扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩将一份精炼剂压入石墨坩埚中熔体的底部，再提起石墨罩，在温度为765℃的条件下精炼10min，然后扒渣并利用搅拌器充分搅拌后，采用石墨罩添加另一份精炼剂重复精炼一次。最后将精炼后的熔体在氩气保护下倒入模具浇铸成型，得到铸锭；

步骤三，加工成型，使用电火花线切割机将铸锭切割成所需形状、尺寸，打磨、清洗后得到尺寸准确、表面整洁的铝基焊材半成品；

步骤四，退火，对步骤三得到的铝基焊材半成品进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为120min，随炉冷却，得到用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材。

根据国家标准对按照上述制备方法得到的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材进行性能检测，各项指标为：固相线温度为560℃，液相线温度即熔点为604℃，显微硬度为68.6HV，带状焊材自身抗拉强度σ_b＝193.3MPa。

实施例四，将3mm厚的5A06铝合金与3mm厚的Q235冷轧板各两块，按对接接头形式装夹5A06铝合金和Q235冷轧板，调整转速等工艺参数完全相同后，分别填加相同形状、尺寸的Al-5Si焊材与实施例二所述的铝基焊材，进行填材搅拌摩擦焊，制得铝/钢搅拌摩擦焊接头试样两块。对制得的两块铝/钢搅拌摩擦焊接头试样，按国家标准进行力学性能检测，结果参见表1。

表1不同焊材下铝/钢搅拌摩擦焊接头试样力学性能

焊材类型	焊缝成形	抗拉强度/MPa	正/背抗弯角度(°)
				Al-5Si	较好	185	6.8/3.2
实施例二	良好	229	12.1/7.7

由表1可知，采用实施例二的铝基焊材得到的搅拌摩擦焊接头抗拉强度为229MPa，大于采用Al-5Si得到的搅拌摩擦焊接头抗拉强度185MPa，这是由于实施例二的铝基焊材的熔点为608℃，与5A06铝合金母材熔点相仿，焊接过程中的流动行为与5A06铝合金相似，进而有利于焊接区域金属流动、混合、结合，缓冲界面残余应力，并且实施例二的铝基焊材能够在接头界面处形成大量的弥散强化相，既能够显著提高接头的抗拉强度。实施例二的铝基焊材硬度略低于5A06铝合金母材，在焊接过程中能够有效填充孔洞，却不会在搅拌头的顶锻力下溢出焊缝，降低了接头界面温度和界面应力，有效提高了铝/钢搅拌摩擦焊接头的强韧性能，特别是接头的抗弯曲能力，进而采用实施例二的铝基焊材得到的接头试样的正/背抗弯角度范围大于采用Al-5Si焊材得到的接头试样的正/背抗弯角度范围。并且由于实施例二的铝基焊材在焊接过程中能够充分软化，从而良好地填充焊缝间隙、孔洞，又因适中的硬度保证了铝基焊材不会在搅拌头的顶锻力下被挤出焊缝，也不会容易发生崩裂，以碎屑、颗粒的形式飞出对接间隙，所以在焊缝内部无隧道型孔洞等缺陷出现，焊缝成形性能良好，而Al-5Si焊材由于熔点较低，在焊接过程中容易在搅拌头的顶锻力作用下被挤出焊缝，进而影响焊缝成形。

参见图1至图4，对比分析Al-5Si焊材和实施例二的铝基焊材得到的搅拌摩擦焊接头微观形貌可知，两种焊材下均能获得无孔洞、裂纹的良好界面，界面呈现出明显的波浪状，这种具有一定的机械咬合特征的界面为焊缝强化提供了帮助。参见图1，在Al-5Si焊材下，焊缝中钢粒呈块状，数量较多，且多在界面处分布。参见图2，仅有部分钢粒与焊缝具有一定的冶金结合，界面处成分较为单一，除钢粒外，只存在少量的Al-Si相分布。参见图3，在实施例二的铝基焊材下，焊缝中钢粒呈长条状、块状，数量较少，但主要分布在焊缝中，部分在近界面处分布。与Al-5Si焊材显著不同的是，参见图4，界面附近存在着大量弥散分布的颗粒状Al-Cu等强化相，此类强化相的出现为焊缝抗拉强度及抗弯性能的进一步提高做出了极大帮助，这也是明显区别于Al-5Si焊材的不同之处。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，其特征在于，按重量百分比计包括如下组分：硅8.5~9.5%，铜3.5~4.5%，镍5.5~6.5%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，其特征在于：铝基焊材的硬度为60~100HV，熔点为550~620℃。

3.根据权利要求2所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，其特征在于：铝基焊材的硬度为64~70HV，熔点为600~615℃。

4.一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，配料，按照权利要求1~3任一项所述的铝基焊材各组分的重量百分比配制炉料，铝以纯金属形式配比，硅、铜、镍以中间合金形式配比，将配制的炉料放入熔炼炉中，预热；

步骤二，熔铸，将熔炼炉升温至730~850℃，恒温保温至炉料熔化，然后扒渣并充分搅拌后，在熔体表面撒上覆盖剂，保温15±1min，再扒渣并充分搅拌后，添加精炼剂进行精炼，最后将精炼后的熔体在氩气保护下浇铸成型，得到铸锭；

步骤三，加工成型，将铸锭切割打磨至成品尺寸；

步骤四，退火，退火温度为350~450℃，退火时间为90~180min，随炉冷却，得到用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材。

5.根据权利要求4所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其特征在于：所述步骤一的预热温度为200~300℃，预热时间为20±5min。

6.根据权利要求4所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其特征在于：所述步骤一中将配制的炉料切割为片状，纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金由下至上依次叠放组成一个放置单元，多个放置单元上下叠放入石墨坩埚后置于熔炼炉中。

7.根据权利要求4所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的精炼为：采用石墨罩将精炼剂压入石墨坩埚中熔体的底部，再提起石墨罩，精炼10±1min，然后扒渣并充分搅拌后，重复精炼一次。

8.根据权利要求4所述的用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其特征在于：所述步骤四中铝基焊材的形状为方条状、方片状、圆片状、圆环状或圆筒状。

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