CN111906433B - 一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,具体包括如下步骤:一,将铝板和镁板分别铣削出相匹配的对接面,并用砂纸将铝板和镁板的表面打磨,去除氧化膜后用丙酮清理油污杂质;二,将铝板和镁板按照对接面相对位置固定于夹具上,在对接面的上方固定设置铺垫层;三,搅拌头的搅拌针与铺垫层接触并进行搅拌摩擦焊。本发明的通过改变轴肩下方摩擦界面抑制铝与镁在高温下形成低熔点共晶,同时将轴肩下方高温的塑性纯铝或铝合金在搅拌针螺纹作用下传递到厚板底部,能减小厚板方向上温度差异,明显改善厚板铝/镁异种搅拌摩擦焊成形效果。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊的技术领域,特别是涉及一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法。
背景技术
在全球能源危机加剧的大环境下,在航空航天、汽车工业领域对材料轻量化的需求也日益增大。铝合金和镁合金是目前最轻的两种金属结构材料,其中镁合金的密度仅为1.74-1.90g/cm3,还具有抗震性高、易回收等优点。铝合金和镁合金之间的连接在发挥这两种金属性能优势的同时,还能实现轻量化的需求,已经成为当前的一个研究热点。采用传统熔焊方法连接厚板铝合金与镁合金时易产生气孔、夹杂、热裂纹以及大量的金属间化合物等缺陷。
搅拌摩擦焊作为一种固态连接方法,其利用了高速旋转的搅拌针与工件摩擦产生的热量使工件达到塑性状态,在搅拌针的挤压作用下,塑性金属逐渐填充空腔,最终形成一条无缺陷的焊缝。因此搅拌摩擦焊对于铝/镁合金的连接具有明显的优势。然而,针对厚板铝/镁搅拌摩擦时容易出现焊缝上部温度高极易形成低熔点共晶,但焊缝底部温度较低不足以达到可靠的冶金结合问题[Xu et al.Formation Investigation of IntermetallicCompounds of Thick Plate Al/Mg Alloys Joint by Friction Stir Welding[J].Materials,2019(12):2661.]。
目前解决的办法主要采用外部辅助加热(电阻加热、激光加热和火焰加热等)来提高焊缝底部温度,促进焊缝金属流动。但是外部辅助加热仅能改善焊缝底部温度低的状况,无法解决焊缝上部出现的低熔点共晶问题,导致现有的方法仍无法有效实现厚板铝/镁异种材料之间的连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,以解决上述现有技术存在的问题,使厚板异种材料的焊接成形效果得以改善,避免焊缝上出现低熔点共晶问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供了一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,具体包括如下步骤:
步骤一,将铝板和镁板分别铣削出相匹配的对接面,并用砂纸将所述铝板和所述镁板的表面打磨,去除氧化膜后用丙酮清理油污杂质;
步骤二,将所述铝板和所述镁板按照对接面相对位置固定于夹具上,在所述对接面的上方固定设置铺垫层;
步骤三,搅拌头的搅拌针与所述铺垫层接触并进行搅拌摩擦焊。
优选的,所述铝板替换为铝合金板,所述镁板替换为镁合金板。
优选的,所述铝板和所述镁板的厚度为10-30mm。
优选的,所述铺垫层的材质为纯铝或铝合金,所述铺垫层为板材或颗粒物。
优选的,所述铺垫层铺设或者冷喷于所述对接面的上方,铺设的所述铺垫层的厚度为3-4mm,冷喷的所述铺垫层设置于所述对接面上的凹槽内且厚度为0.3-0.5mm。
优选的,冷喷所述铺垫层的颗粒尺寸为10-50μm,冷喷用的加速气体为压缩氮气,所述压缩氮气的温度为250℃、压强为3.5×106Pa,冷喷用的喷嘴距离所述对接面30mm。
优选的,所述搅拌摩擦焊进行时,所述铝板置于所述搅拌针的前进侧,所述镁板置于搅拌针的返回侧。
优选的,所述搅拌针的旋转速度为375-750rpm、焊接速度为23.5-37.5mm/min,所述搅拌针的倾角为2°-3°,所述搅拌针的轴肩直径为20-50mm、偏移量为0.5mm、下压量为0.3-0.5mm。
优选的,所述对接面为斜切面,所述斜切面的倾角与所述搅拌针的锥度相同。
优选的,所述搅拌摩擦焊的方式为搅拌摩擦焊搭接点焊、搅拌摩擦焊搭接线焊或者静轴肩搅拌摩擦焊。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明的通过改变轴肩下方摩擦界面抑制铝与镁在高温下形成低熔点共晶,同时将轴肩下方高温的塑性纯铝或铝合金在搅拌针螺纹作用下传递到厚板底部,能减小厚板方向上温度差异,明显改善厚板铝/镁异种搅拌摩擦焊成形效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的厚板铝/镁上表面铺垫纯铝板示意图;
图2为本发明的厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊焊接示意图;
图3为本发明施例二的厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊接头横截面形貌示意图;
图4为本发明施例二的厚板铝/镁异种接头界面扫描电子显微镜照片;
图5为本发明实施例三的厚板铝/镁上表面加工长方形凹槽示意图;
图6为本发明实施例三实的厚板铝/镁上表面冷喷涂纯铝颗粒示意图;
图7为本发明实施例三的厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊焊接示意图;
其中:1-铝板,2-镁板,3-对接面,4-铺垫层,5-搅拌针,6-凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,以解决现有技术存在的问题,使厚板异种材料的焊接成形效果得以改善,避免焊缝上出现低熔点共晶问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,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。
实施例一
如图1至图7所示:本实施例提供了一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,具体包括如下步骤:
步骤一,将铝板1和镁板2分别铣削出相匹配的对接面3,并用砂纸将铝板1和镁板2的表面打磨,去除氧化膜后用丙酮清理油污杂质;
步骤二,将铝板1和镁板2按照对接面3相对位置固定于夹具上,在对接面3的上方固定设置铺垫层4;
步骤三,搅拌头的搅拌针5与铺垫层4接触并进行搅拌摩擦焊。
铝板1也可以替换为铝合金板,镁板2也可以替换为镁合金板。铝板1和镁板2的厚度为10-30mm。铝板1和镁板2的对接面3为相互匹配的斜切面,斜切面的倾角与搅拌针5的锥度相同。
铺垫层4的材质为纯铝或铝合金,铺垫层4为板材或颗粒物。铺垫层4铺设或者冷喷于对接面3的上方,铺设的铺垫层4的厚度为3-4mm,本实施例采用的是3mm,冷喷的铺垫层4设置于对接面3上的凹槽6内且厚度为0.3-0.5mm。冷喷铺垫层4的颗粒尺寸为10-50μm,冷喷用的加速气体为压缩氮气,压缩氮气的温度为250℃、压强为3.5×106Pa,冷喷用的喷嘴距离对接面30mm。
搅拌摩擦焊进行时,铝板1置于搅拌针5的前进侧,镁板2置于搅拌针5的返回侧。搅拌针5的旋转速度为375-750rpm、焊接速度为23.5-37.5mm/min,搅拌针5的倾角为2°-3°,搅拌针5的轴肩直径为20-50mm、偏移量为0.5mm、下压量为0.3-0.5mm。搅拌摩擦焊的方式为搅拌摩擦焊搭接点焊、搅拌摩擦焊搭接线焊或者静轴肩搅拌摩擦焊。
实施例二
如图1至图4所示,步骤一,将5A06铝合金板和AZ31B镁合金板的对接面3分别铣削成12°的倾斜面,与搅拌针5外边缘平行匹配,以保证沿板厚方向上被搅进焊缝区的镁含量一致,便于搅拌针5后面采用偏移量抑制金属间化合物形成。
步骤二,用砂纸分别将3mm厚的1060纯铝、20mm厚5A06铝合金板和20mm厚AZ31B镁合金板的表面、对接面3进行打磨去除氧化膜,再用丙酮擦拭清理油污等杂质。
步骤三,在20mm厚的5A06铝合金板和AZ31B镁合金板的对接面3上方铺垫3mm厚的1060纯铝作为铺垫层4,使用夹具将三块板完全固定。
步骤四,采用带左螺纹的搅拌针5进行搅拌摩擦焊接,具体焊接工艺参数为搅拌针5的旋转速度750rpm,焊接速度30mm/min,主轴的倾角为3°,轴肩直径40mm,偏移量0.5mm、下压量0.5mm。
图3为本实例获得的厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊接头横截面形貌,由图3可以看到接头成形较好,没有孔洞、隧道型缺陷等。图4为本实例获得的厚板铝/镁异种接头界面扫描电子显微镜照片,可以看到铝与镁已经实现了较好的冶金结合。
实施例三
如图5至图7所示,步骤一,将5A06铝合金板和AZ31B镁合金板的对接面3铣削成12°,与搅拌针5外边缘平行,以保证沿板厚方向上被搅进去的镁含量一致,便于后面采用偏移量抑制金属间化合物形成。
步骤二,在5A06铝合金板和AZ31B镁合金板的对接面3上铣削出一个长方形的凹槽6,凹槽6的宽度为40mm、深度为0.5mm,并用钢刷打磨长方形的凹槽6,保证冷喷涂沉积效果。
步骤三,向长方形的凹槽6内冷喷涂纯铝颗粒,冷喷涂气体的温度和压强分别为250℃和3.5×106Pa,喷涂距离为30mm,冷喷涂的纯铝层厚为0.5mm。
步骤四,采用夹具完全固定20mm厚的5A06铝合金板和AZ31B镁合金板,用带左螺纹的搅拌针5进行摩擦搅拌焊接,具体焊接工艺参数为旋转速度750rpm,焊接速度30mm/min,主轴的倾角为3°,轴肩直径40mm、偏移量0.5mm、下压量0.5mm。
本实施例通过改变轴肩下方摩擦界面抑制铝与镁在高温下形成低熔点共晶,同时将轴肩下方高温的塑性纯铝或铝合金在搅拌针5螺纹作用下传递到厚板底部,能减小厚板方向上温度差异,明显改善厚板铝/镁异种搅拌摩擦焊成形。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:具体包括如下步骤:
步骤一,将铝板和镁板分别铣削出相匹配的对接面,所述对接面为斜切面,并用砂纸将所述铝板和所述镁板的表面打磨,去除氧化膜后用丙酮清理油污杂质;
步骤二,将所述铝板和所述镁板按照对接面相对位置固定于夹具上,在所述对接面的上方固定设置铺垫层;
步骤三,搅拌头的搅拌针与所述铺垫层接触并进行搅拌摩擦焊,所述斜切面的倾角与所述搅拌针的锥度相同。
2.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述铝板替换为铝合金板,所述镁板替换为镁合金板。
3.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述铝板和所述镁板的厚度为10-30mm。
4.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述铺垫层的材质为纯铝或铝合金,所述铺垫层为板材或颗粒物。
5.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述铺垫层铺设或者冷喷于所述对接面的上方,铺设的所述铺垫层的厚度为3-4mm,冷喷的所述铺垫层设置于所述对接面上的凹槽内且厚度为0.3-0.5mm。
6.根据权利要求5所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:冷喷所述铺垫层的颗粒尺寸为10-50μm,冷喷用的加速气体为压缩氮气,所述压缩氮气的温度为250℃、压强为3.5×106Pa,冷喷用的喷嘴距离所述对接面30mm。
7.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述搅拌摩擦焊进行时,所述铝板置于所述搅拌针的前进侧,所述镁板置于搅拌针的返回侧。
8.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述搅拌针的旋转速度为375-750rpm、焊接速度为23.5-37.5mm/min,所述搅拌针的倾角为2°-3°,所述搅拌针的轴肩直径为20-50mm、偏移量为0.5mm、下压量为0.3-0.5mm。
9.根据权利要求1所述的改变摩擦界面的厚板铝镁异种材料搅拌摩擦焊方法,其特征在于:所述搅拌摩擦焊的方式为搅拌摩擦焊搭接点焊、搅拌摩擦焊搭接线焊或者静轴肩搅拌摩擦焊。
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