CN113061962B

CN113061962B - Az31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法

Info

Publication number: CN113061962B
Application number: CN202110449654.2A
Authority: CN
Inventors: 沈明杰; 朱小倩; 李云帅; 韩宝健
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-04-25
Also published as: CN113061962A

Abstract

本发明公开了AZ31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法，方法如下：首先在大量的实验探索中获得了电泳沉积CNTs的最佳参数，从而使镁合金表面附着均匀且分散的CNTs涂层，其中电泳沉积液是由CNTs、无水乙醇、丙酮以及Al(NO₃)₃·9H₂O组成的混合溶液，其次使用搅拌摩擦焊圆柱形凹形轴肩的搅拌头对已镀层AZ31镁板进行一次对焊，得到一种复合接头焊件，再在原一次焊接接头位置使用相同搅拌头不同焊接参数进行二次焊接，得到另一种复合接头焊件。用此焊接方法进行搅拌摩擦焊焊接可使CNTs在基体内的分散更加均匀，更能融入到焊接基体内部，且在焊接接头区域形成了CNTs/Mg复合材料，进一步提高了接头性能。

Description

AZ31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法

技术领域

本发明属于材料加工中的焊接技术领域，具体涉及AZ31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法。

背景技术

镁及其合金由于低密度，良好的阻尼性能，生物相容性，可回收性，较大的储氢能力，电池的理论比容量等优异的物理和化学性能，被认为在航空航天，交通运输，电子3C，生物医学和能源等领域具有巨大的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。为了进一步推进镁合金的工业应用步伐、拓展其应用领域，实现镁合金的可靠连接，急需寻求合适的焊接工艺，开展焊接方面的研宄，以推进镁合金的发展。

搅拌摩擦焊是1991年由英国焊接研究所发明的一种利用摩擦和搅拌热进行微结构改性的固态技术，与其他传统的焊接技术相比，搅拌摩擦焊消耗的能源更少，不需要保护气体和填充焊丝，无飞溅，无烟尘，这些特点使得这一技术更加的环保，将在更多的材料领域得到广泛应用，同时与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊作为一项固态连接技术还可以有效的避免熔化焊常见的焊接缺陷(例如，焊后变形较小，母材损耗减少以及无气孔等等），为焊接镁合金提供了可行性方案。虽然固相连接技术搅拌摩擦焊焊接镁合金相较于其他焊接技术有一定的优势，但在保证接头性能方面存在一定的缺陷，接头性能差，强度低将会持续限制镁合金的应用，限制其进一步的发展。

尽管国内外的很多学者研究了接头的组织和性能，也取得了一部分较好的研究成果；但是这些研究仍基于定性研究，旨在修改焊接参数以及研究晶粒尺寸方面来研究焊接接头性能，对于使用增强体进一步改善焊接接头的性能，这方面的研究还很少。

发明内容

针对目前镁合金焊接接头性能差的问题，本发明的技术目的在于提供AZ31镁合金搅拌摩擦焊接板材及提高其焊接接头性能的方法，首先本发明在大量的研究探索中获得了电泳沉积CNTs的最佳参数，从而使镁合金表面附着有均匀且分散的CNTs涂层，继而将两块具有镀层的AZ31镁合金板进行搅拌摩擦焊对焊，完成复合焊接，得到性能优于普通一次焊接的完美焊缝。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，包括以下步骤：

S101，对待焊接AZ31镁板样品表面进行清洗预处理；

S102，对增强体CNTs进行预分散酸洗处理，得到分散均匀的CNTs；

S103，将S102所得分散良好的CNTs、无水乙醇、丙酮以及Al(NO₃)₃·9H₂O混合均匀得到混合溶液并在室温静置12h；

S104，将未出现分层现象的S103所得混合液作为电泳沉积的溶液，并把S101预处理后的AZ31镁板作为阴极，铂电极为阳极进行电泳沉积，使CNTs在AZ31镁板表面均匀沉积分布，得到具有CNTs镀层的AZ31复合镁板；

S200，取两块步骤104制备的具有CNTs镀层的AZ31复合镁板，并采用搅拌摩擦焊工艺对其进行对焊焊接，形成一道次焊缝；

S201，在S200所形成的焊缝位置上采用相同焊接接头降低焊接速度进行二次焊接，形成具有均匀分散CNTs的AZ31镁板二次焊接接头。

S101打磨并预处理AZ31镁板表面具体如下：

首先，采用粗砂纸对其表面进行除油除污粗磨处理，而后将除污后的试样在不同规格尺寸的砂纸上进行打磨去痕处理，在打磨的过程中，更换砂纸时将样品旋转90°，直至表面无明显划痕为止，将打磨后的试样放入酒精或丙酮溶液中进行超声清理10 min，最后将超声处理后的AZ31镁板在0.5%的硫酸溶液中浸泡腐蚀60 s，再将酸洗后的AZ31镁板浸泡在60℃的氢氧化钠溶液中5h。

S102中，将CNTs加入V_浓硫酸：V_浓硝酸=3：1的混和酸溶液中，对其进行超声处理以及磁力搅拌，然后采用丙酮溶液对酸洗后的CNTs进行杂质溶解处理，再用去离子水清洗混和酸与残留的丙酮，重复至滤液pH值接近中性后抽滤，最后将抽滤后的CNTs在65 ℃的温度下干燥10 h。

AZ31镁板的厚度为5mm。

S103中，先取酒精与丙酮体积比为1:1的混合溶液，再向其中加入预处理后的CNTs，使混合溶液中CNTs浓度为0.2 mg/mL，随后超声处理30 min，再加入与CNTs同质量的Al(NO₃)₃·9H₂O，再次超声处理2 h，得到所需电泳沉积液。

S104中，电泳沉积恒定电压为35V，沉积时间为60 s，且电泳槽内阴极AZ31镁板与阳极铂电极间间距为9 cm。

S200中，搅拌摩擦焊的行进速度为80-100 mm/min，搅拌头的旋转速度为1100-1300 r/min，搅拌头的压入量为4.8 mm。

S201中，在S200所形成的焊缝位置上进行二次搅拌摩擦焊，其行行进速度为60mm/min，搅拌头的旋转速度为800 r/min，搅拌头的压入量为4.8 mm。

一种AZ31镁合金焊接板材，焊接接头采用本发明所述方法制备，在焊接接头处，CNTs大部分分布于晶粒内部，部分跨越晶界。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明具有的有益效果具体体现在两方面，其一，技术层面操作简便，相对于普通一次焊接，只需在搅拌摩擦焊焊接之前进行电泳沉积表面镀层处理即可，且无环境污染属于绿色加工。电泳沉积液无毒且能循环使用，可节约资源也可进行批量加工沉积，若投入生产大规模制备也能实现。其二，所得焊接接头性能方面，相较于传统的普通一次搅拌摩擦焊焊接，在具有增强体的复合焊接下相当于在接头处形成了CNTs/Mg复合材料，CNTs均匀分散的融入到AZ31镁合金基体内部，充分发挥了增强体的增强效果。相比于在待焊接区域开槽之后放入增强体的方法，利用涂层技术进行搅拌摩擦焊焊接可使CNTs在基体的内的分散更加均匀，在一次焊接区域再使用相同焊接接头不同参数进行二次焊接，能使CNTs增强体更加分散的融入到焊接基体内部，如此便可更好的发挥CNTs的力学性能及形状效应，在焊接接头区域形成CNTs/Mg复合材料，相比于普通一次焊接其可大幅度提高接头力学性能及拉伸性能。且加CNTs的一次焊接接头极限抗拉强度及延伸率得到提升，分别提高了5.82%和36.52%，加CNTs的二次焊接接头极限抗拉强度及延伸率分别提高了11.45%和31.17%。随着技术逐步改进搅拌摩擦焊应用将日渐广泛，本发明对于拓展镁合金的工程应用具有重要的现实意义，为解决传统普通搅拌摩擦焊焊接性能差问题，提供了一种有效的解决思路，为拓展镁合金的工程应用开辟了新的道路。

附图说明

图1a是酸洗前的CNTs扫描电子显微镜(SEM)照片；

图1b是酸洗后的CNTs扫描电子显微镜(SEM)照片；

图2是电泳沉积CNTs后截面的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3是搅拌摩擦焊之后焊接区域的CNTs扫描电子显微镜(SEM)照片；

图4a是一次焊接焊核区金相图，图4b是一次焊接焊核区晶粒尺寸柱状分布图；

图5a是加CNTs一次焊接焊核区金相图，图5b是加CNTs一次焊接焊核区晶粒尺寸柱状分布图；

图6a是加CNTs二次焊接焊核区金相图，图6b是加CNTs二次焊接焊核区晶粒尺寸柱状分布图；

图7是普通AZ31镁板一次搅拌摩擦焊，已镀层AZ31镁板次搅拌摩擦焊以及已镀层AZ31镁板二次搅拌摩擦焊焊接接头力学性能对比。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细阐述。

碳纳米管（CNTs）是一种中空结构的纳米材料，具有密度小、强度高、长径比大、比表面积大、高温稳定而不易与金属发生反应、电导率和热导率高、热膨胀系数低、耐强酸强碱和高温氧化等特性。自从碳纳米管被发现以来，它就以独特的性能和结构受到国内外各领域学者的关注，被人们认为是最理想的增强体。结合复合材料的增强思路，将焊接接头打造成一种复合材料，把FSW推进到镁合金构件的制造领域，打破镁合金焊接力学性能低的局面，从而为拓展镁合金工业应用提供有力的支持。

本发明一种提高AZ31镁合金FSW焊接接头性能的工艺

实施例1，本实例方式提高AZ31镁合金FSW焊接接头性能的工艺按以下步骤进行：

步骤一：采用电泳沉积的方式在AZ31镁合金板材表面制备CNTs镀层

（1）所用AZ31轧制板材尺寸为为5×30×100mm；

（2）对AZ31镁合金板进行清洗预处理，采用粗砂纸对其表面进行除油除污粗磨处理，而后将除污后的试样在不同规格尺寸的砂纸上进行打磨去痕处理。在打磨的过程中，注意更换砂纸时需将样品旋转90°，使试样表面的横向划痕与纵向划痕相抵，直至表面无明显划痕为止。然后将打磨后的试样放入酒精或丙酮溶液中进行超声清理10min，以除去表面碎屑。最后将超声处理后的AZ31镁板在0.5%的硫酸溶液中浸泡腐蚀60s，再将酸洗后的AZ31镁板浸泡在60℃的氢氧化钠溶液中5h，最后在丙酮中超声清理30min以除去剩余残留物。

（3）对CNTs进行分散预处理，将3gCNTs加入120ml浓硫酸及40ml浓硝酸组成的混合酸溶液中，对其进行2h超声处理以及10h磁力搅拌，使CNTs均匀的分散在混和酸溶液中，并在磁力搅拌的同时每隔1h观察旋涡情况，除去磁力搅拌旋涡周围的白色杂质。然后采用丙酮溶液对酸洗后的CNTs进行杂质溶解处理，再用去离子水清洗混酸与残留的丙酮，重复至滤液PH值接近中性为止。最后将抽滤至达标状态的CNTs在70℃的温度下干燥10h备用。碳纳米管预处理使用强酸强碱处理，通过强酸强碱的强氧化能力，把碳纳米管在缺陷处氧化溶断,然后将短的碳纳米管分散，同时也是一个碳纳米管的纯化过程，碳纳米管中往往含有金属催化剂颗粒和无定形碳等的杂质，进行酸碱处理，也能去除碳纳米管中的杂质，以及合成碳纳米管时候加入的金属催化剂。

（4）配制电泳沉积液，用量筒量取无水乙醇及丙酮各500ml组成混合溶液，向其中加入预处理之后的CNTs 粉末0.2g，超声处理30min，再加入0.2g的Al(NO₃)₃·9H₂O继续超声2h。为保证沉积液质量，将其在室温下放置12h，若未发生分层现象，则可进行沉积镀层。

（5）电泳沉积镀层处理，清洗将处理后的AZ31镁板作为阴极，铂电极为阳极进行电泳沉积，其中所需恒定电压为35V，所需沉积时间为60s，且电泳槽内阴极AZ31镁板与阳极铂电极间间距为9cm。

步骤二：将镀层之后的AZ31镁板进行搅拌摩擦焊处理

（1）所用搅拌摩擦焊焊接接头为圆柱形凹形轴肩，由硬度为50 HRC的H13钢制作而成，搅拌针长度4mm。搅拌摩擦焊实验中，当轴肩没入板材里才可以释放大量的热，所以搅拌针针头的长度必须小于被焊接金属的厚度，既可以保证针头不会穿过金属工件损坏垫板，也可以保证工件背面焊缝完整，外形美观。

（2）取步骤一所得的带有CNTs镀层的AZ31镁合金板两块，将其进行搅拌摩擦焊一次对焊。

（3）使用装夹工具对带有CNTs镀层的镁合金板进行装夹固定，装夹过程对CNTs镀层进行保护。然后使用搅拌摩擦焊圆柱形凹形轴肩的搅拌头进行一次对焊，其中搅拌头的压入量为4.8mm，行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min。

实施例2，本实例方式提高AZ31镁合金FSW焊接接头性能的工艺按以下步骤进行：

（1）所用AZ31轧制板材尺寸为5×30×100mm；

（3）对CNTs进行分散预处理，将3gCNTs加入120ml浓硫酸及40ml浓硝酸组成的混合酸溶液中，对其进行2h超声处理以及10h磁力搅拌，使CNTs均匀的分散在混和酸溶液中，并在磁力搅拌的同时每隔1h观察旋涡情况，除去磁力搅拌旋涡周围的白色杂质。然后采用丙酮溶液对酸洗后的CNTs进行杂质溶解处理，再用去离子水清洗混酸与残留的丙酮，重复至滤液PH值接近中性为止。最后将抽滤至达标状态的CNTs在70℃的温度下干燥10h备用。

（5）电泳沉积镀层处理，清洗将处理后的AZ31镁板作为阴极，铂电极为阳极进行电泳沉积，其中所需恒定电压为35V，所需沉积时间为60s，且电泳槽内阴极AZ31镁板与阳极铂电极间间距为9cm，能有效避免沉积层太薄且不均匀以及避免沉积时产生团聚。

步骤二：将镀层之后的AZ31镁板进行搅拌摩擦焊处理

（1）所用搅拌摩擦焊焊接接头为圆柱形凹形轴肩，由硬度为50 HRC的H13钢制作而成，搅拌针长度4mm。搅拌摩擦焊实验中，当轴肩没入板材里才可以释放大量的热，所以搅拌针针头的长度必须小于被焊接金属的厚度，这样既可以保证针头不会穿过金属工件损坏垫板，也可以保证工件背面焊缝完整，外形美观。

（3）使用装夹工具对带有CNTs镀层的镁合金板进行装夹固定，装夹过程注意对CNTs镀层进行保护。然后使用搅拌摩擦焊圆柱形凹形轴肩的搅拌头进行一次对焊，其中搅拌头的压入量为4.8mm，行进速度为90mm/min，搅拌头的旋转速度为1200r/min。

（4）在一次焊接结束后不改变装夹情况，对搅拌摩擦焊设备重新编程，在一次焊接位置再进行二次焊接，且搅拌头旋转方向与行进方向均一致。其中行进速度为60 mm/min，搅拌头旋转速度为800 r/min，搅拌头压入量为4.8 mm。

如图1a和图1b所示，预处理前后CNTs分散对比明显，且预处理后CNTs的缠绕现象被解决，分散良好，为沉积镀层做好了充分的前期准备，同时也可使镀层上CNTs的分散得到提升。

如图2所示，电泳沉积之后发现CNTs的确附着在AZ31镁合金表面，且分散良好，并形成了约500nm的CNTs镀层。

如图3所示，复合FSP之后的AZ31镁合金接头内的确存在CNTs。

如图4a和图4b所示为一次焊接焊核区晶粒尺寸分布图，平均晶粒尺寸为4.05μm，如图5a和图5b所示为加CNTs一次焊接焊核区晶粒尺寸分布图，CNTs作为增强体加入到镁基体当中对再结晶过程有重要的影响，位错只能绕过其移动并塞积，提高材料的变形抗力而使复合接头材料整体畸变能升高，增加复合接头材料亚结构的不稳定性，使形核点增加，促进复合材料的动态再结晶，进而形成更细小的等轴晶。

如图6a和图6b所示为加CNTs二次焊接焊核区晶粒尺寸分布图，在二道次加工的过程中，适当的改变焊接参数以降低热输入对于细化晶粒来说是很有必要的。第二道次加工在累积了应变量的同时，降低了主轴旋转速度从而降低了热输入，由动态再结晶理论可知，高的应变和低的温度有利于更为细小晶粒的形成，再辅助CNTs对再结晶的影响，晶粒尺寸显著降低。一般来说，通过剧塑性变形技术制备出的细晶或超细晶材料的抗拉强度都得到了显著提高，而伸长率却存在着不确定的变化趋势。

用下述实验验证本发明效果：

分别对普通AZ31镁板一次搅拌摩擦焊，已镀层AZ31镁板次搅拌摩擦焊以及已镀层AZ31镁板二次搅拌摩擦焊焊接接头进行了拉伸性能的测试。

用本发明所述焊接方法得到的焊接样品中加工出标准的拉伸试样，并利用电子万能试验机进行拉伸性能的测试，结果如图7所示。其中普通AZ31镁板一次搅拌摩擦焊其抗拉强度为为162.58MP，延伸率为5.23%。加CNTs的AZ31镁板一次搅拌摩擦焊，相当于在接头处形成了CNTs/Mg复合材料，所以抗拉强度及延伸率得到提升，分别较普通焊接提高了5.82%和36.52%，加CNTs的AZ31镁板二次搅拌摩擦焊，其接头抗拉强度及延伸率也较普通焊接分别提高了11.45%和31.17%。

Claims

1.一种提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，对待焊接AZ31镁板样品表面进行清洗预处理；

2.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S101打磨并预处理AZ31镁板表面具体如下：

3.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S102中，将CNTs加入V_浓硫酸：V_浓硝酸=3：1的混和酸溶液中，对其进行超声处理以及磁力搅拌，然后采用丙酮溶液对酸洗后的CNTs进行杂质溶解处理，再用去离子水清洗混和酸与残留的丙酮，重复至滤液pH值接近中性后抽滤，最后将抽滤后的CNTs在65 ℃的温度下干燥10 h。

4.根据权利要求1所述的一种提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，AZ31镁板的厚度为5mm。

5.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S103中，先取酒精与丙酮体积比为1:1的混合溶液，再向其中加入预处理后的CNTs，使混合溶液中CNTs浓度为0.2 mg/mL，随后超声处理30 min，再加入与CNTs同质量的Al(NO₃)₃·9H₂O，再次超声处理2 h，得到所需电泳沉积液。

6.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S104中，电泳沉积恒定电压为35V，沉积时间为60 s，且电泳槽内阴极AZ31镁板与阳极铂电极间间距为9 cm。

7.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S200中，搅拌摩擦焊的行进速度为80-100 mm/min，搅拌头的旋转速度为1100-1300 r/min，搅拌头的压入量为4.8 mm。

8.根据权利要求1所述的提高AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头性能的方法，其特征在于，S201中，在S200所形成的焊缝位置上进行二次搅拌摩擦焊，其行行进速度为60 mm/min，搅拌头的旋转速度为800 r/min，搅拌头的压入量为4.8mm。

9.一种AZ31镁合金焊接板材，其特征在于，焊接接头采用权利要求1~8中任一项所述方法制备。