CN113427116B - 一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；属于金属材料焊接技术领域。本发明以含Sc和Zr的铝镁合金铸锭为处理对象，对铸锭在280‑440℃进行均匀化处理；均匀化处理后，依次经热轧、冷轧，冷轧板经稳定化退火后，经压光、矫正得到成品板材，然后对成品板材采用搅拌摩擦焊接，得到焊接后的产品。焊接产品无需后续热处理，即可保证基体和焊接头具有良好的力学性能。本发明制备工艺简单可控，所得产品性能优良，便于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；属于金属材料焊接技术领域。
背景技术
铝镁系合金具有比强度高、可焊性好等优点，常被用作舰船和航天器荷重焊接构件。搅拌摩擦焊技术是一种新型的半固态连接技术，可以实现铝板的高质量连接。然而，与其他焊接方法类似，板材经搅拌摩擦焊接后焊件的强度仍明显低于母材。
目前，现有文献无有效提高热处理不可强化铝镁系合金搅拌摩擦焊板材强度的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的新方法，通过本发明所设计的方法，使得铝镁系合金薄板焊接件中焊接头的强度得到大幅提升。
本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，以含Sc和Zr的铝镁合金铸锭为处理对象，对铸锭在280-440℃进行均匀化处理；均匀化处理后，依次经热轧、冷轧，冷轧板经稳定化退火后，经压光、矫正得到成品板材，然后对成品板材采用搅拌摩擦焊接，得到焊接后的产品。本发明焊接后的产品，不需后续处理即可具有优异的力学性能，尤其是焊接接头的强度远远优于现有技术所得产品对应部位的强度。
作为优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；所述含Sc和Zr的铝镁合金铸锭中，Mg的含量为5.5-6.1wt.％、Mn0.3-0.45wt.％、Sc0.25wt.％、Zr0.12wt.％。
作为进一步的优选方案，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；所述含Sc和Zr的铝镁合金铸锭，以质量百分比计，由下述组分组成：
Mg5.5-6.1％、Mn0.3-0.45％、Sc 0.25％、Zr0.12％、Cu0.05％、Zn0.05％、Ti0.03％、Si0.08％、Fe0.1％、余量为Al。
作为更进一步的优选方案，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；所述含Sc和Zr的铝镁合金铸锭，以质量百分比计，由下述组分组成：
Mg6.1％、Mn0.4％、Sc 0.25％、Zr0.12％、Cu0.05％、Zn0.05％、Ti0.03％、Si0.08％、Fe0.1％、余量为Al。
本发明中含Sc和Zr的铝镁合金铸锭的制备方法可以是常规方法。作为优选铸锭的制备方法为：按设计组分配置合金原料，在熔炼炉中熔炼，铝元素、镁元素分别以纯铝、纯镁加入，其他合金元素分别以Al-8.5％Mn、Al-4.48％Zr、Al-2％Sc和Al-4％Ti中间合金的形式加入。熔体精炼除气后进行半连续铸造成扁锭。
作为优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；对铸锭在280-350℃进行均匀化处理。
作为进一步的优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；对铸锭在300-350℃进行均匀化处理。
作为更进一步的优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；对铸锭在300℃进行均匀化处理。
作为优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；均匀化处理的时间为6-10小时。更进一步优选为8小时。
作为优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；均匀化处理后，空冷，得到均匀化锭，将均匀化锭在410-430℃下加热4h，之后经多道次热轧至6.8-7.0mm板；将热轧板在410-430℃下退火4h，之后经多道次冷轧至1.8-2.2mm厚薄板；对冷轧板在300-330℃下稳定化退火1h，之后压光、矫直得到成品板材。
作为优选方案之一，本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；对成品板进行搅拌摩擦焊接，具体方法如下：
(1)成品板材焊接前，对焊件表面进行清理，使用丙酮或酒精擦拭后，再用钢丝刷将焊接区域表面刷净；
(2)将两块宽100mm，长400mm的薄板固定在搅拌摩擦焊机上，进行单道次对焊，搅拌头为锥形，搅拌针直径为2mm，轴肩直径为10mm，转速为600rpm，焊速为500-800mm/min，焊接方向与轧制方向平行；得到焊接后的产品。
本发明一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法；焊接后，焊接接头的抗拉强度为379～440MPa、优选为429～440MPa；焊接接头的屈服强度为287～348MPa、优选为336～348MPa；焊接接头的延伸率为6～8.8％；平均焊接系数为86.6～96.5％、优选为95.8～96.5％。
原理和优势
本发明通过在铝镁合金铸锭中添加微量元素钪和锆，之后通过均匀化热处理工艺调控，使钪锆元素以细小、弥散和均匀分布的二次Al3Sc1-xZrx纳米粒子的形式析出，然后对均匀化态合金进行热轧、冷轧至薄板，之后对薄板稳定化退火至成品态，最后对成品板材进行搅拌摩擦焊焊接。本发明主要利用Al3Sc1-xZrx纳米粒子的高热稳定性、高弥散性和纳米尺寸，使其在板材制备和焊接过程中强烈抑制再结晶，保留纤维组织，提高亚结构强化作用，进而达到提高铝镁薄板搅拌摩擦焊接头强度的目的。
本发明可以有效提高现有铝镁合金薄板搅拌摩擦焊焊件的强度。
本发明的目的通过以下两个方面实现，一是运用微合金化方法在铝镁合金中析出高密度弥散的Al3Sc1-xZrx纳米粒子，包括微合金化成分设计、均匀化工艺控制及薄板制备；二是在合适的搅拌摩擦焊接工艺下实现薄板的焊接，对比不包含和包含Al3Sc1-xZrx纳米粒子的铝镁合金焊接接头的强度，证明本方法提高焊件强度的有效性。
同时，本发明所设计的工艺中，焊接产品无需后续热处理，即可保证焊接头具有良好的力学性能。
附图说明
附图1为实施例和对比例中焊接区内的显微组织图；
其中图1(a)、图1(b)为440℃的均匀化温度下Al-Mg-Sc-Zr接头中Al3Sc1-xZrx纳米粒子的TEM暗场像；图1(c)为350℃的均匀化温度下Al-Mg-Sc-Zr接头中Al3Sc1-xZrx纳米粒子的TEM暗场像；图1(d)为300℃的均匀化温度下Al-Mg-Sc-Zr接头中Al3Sc1-xZrx纳米粒子的TEM暗场像；图1(e)为Al-Mg接头的EBSD显微组织图；图1(f)为440℃的均匀化温度下Al-Mg-Sc-Zr接头的EBSD显微组织图。
具体实施方式
本发明所用合金成分如下表所示：
表1合金成分(wt.％)
合金薄板制备方法如下：
(1)按设计组分配置合金原料，在熔炼炉中熔炼，铝元素、镁元素分别以纯铝、纯镁加入，其他合金元素分别以Al-8.5％Mn、Al-4.48％Zr、Al-2％Sc和Al-4％Ti中间合金形式加入。
(2)熔体精炼除气后进行半连续铸造成扁锭；
(3)Sc含量为0的铸锭在430-440℃下均匀化热处理8h，后空冷；Sc含量不为0时的铸锭分别在300℃、350℃和440℃下均匀化热处理8h，后空冷；
(4)将均匀化锭在410-430℃下加热4h，之后经多道次热轧至6.8-7.0mm板；将热轧板在410-430℃下退火4h，之后经多道次冷轧至1.8-2.2mm厚薄板；对冷轧板在300-330℃下稳定化退火1h，之后压光、矫直至成品态。
对成品板进行搅拌摩擦焊接，具体方法如下：
(A)成品板材焊接前，必须对焊件表面进行清理，使用丙酮或酒精擦拭后，再用钢丝刷将焊接区域表面刷净；
(B)将两块宽100mm，长400mm的薄板固定在搅拌摩擦焊机上，进行单道次对焊，搅拌头为锥形，搅拌针直径为2mm,轴肩直径为10mm,转速为600rpm,焊速为500-800mm/min，焊接方向与轧制方向平行；
对焊后样品进行室温拉伸力学性能测试，母材和焊接接头试样拉伸方向垂直于轧制/焊接方向。母材和焊接接头拉伸样品尺寸分别按照GB6397-86《金属拉伸试验试样》和《GB/T 2651--2008/ISO 4136：2001焊接接头拉伸试验方法》标准执行，每个试样测试3个点，取其算术平均值。
微合金化和均匀化退火温度对拉伸力学性能影响结果如表2所示：
表2搅拌摩擦焊接接头室温拉伸力学性能
由表2可知，微合金化和均匀化温度调控两者均能显著提高合金的屈服强度、抗拉强度和焊接系数，与此同时，焊接接头的延伸率仅有少量降低。
由于焊接接头的室温拉伸样品均断裂在焊核区，对焊核区进行了透射电子显微组织(TEM)和背散射电子衍射(EBSD)显微组织观察,结果如图1所示。
由图可知，随着均匀化温度的降低，焊核区内的Al3Sc1-xZrx纳米粒子尺寸减小，密度增加。在较高的均匀化温度下(440℃)，受高焊接热和剧烈搅拌作用，合金内的Al3Sc1-xZrx纳米粒子发生聚集，但任然可见其与位错和晶界的强交互作用，产生有效的析出强化作用，但相比于300-350℃，其效果是明显衰减。此外，相比Al-Mg和Al-Mg-Sc-Zr接头焊核区的EBSD显微组织可以看出，钪锆添加可细化合金焊核区内晶粒，产生细晶强化作用。综上所述，钪锆的添加可在Al-Mg搅拌摩擦焊接头断裂位置产生析出强化和细晶强化作用，因此，可有效提高焊接接头的强度。随着均匀化温度的降低，Al3Sc1-xZrx纳米密度增加，尺寸减少，其产生的奥罗万强化效果加强，因此，Al-Mg-Sc-Zr接头强度随均匀化温度的降低增加。
除上述试验外，课题组还尝试了更为低温下的均匀化处理，但发现在250℃时，Al3(Sc1-xZrx)粒子析出不充分，合金的硬度增加较少，同时其焊接后，产品的性能也远远差于均匀化温度为300℃(其他条件完全一样)所得焊接产品的性能。
需要说明的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：以含Sc和Zr的铝镁合金铸锭为处理对象，对铸锭在280-350℃进行均匀化处理；均匀化处理后，空冷，得到均匀化锭，将均匀化锭在410-430℃下加热4h，之后经多道次热轧至6.8-7.0mm板；将热轧板在410-430℃下退火4h，之后经多道次冷轧至1.8-2.2 mm厚薄板；对冷轧板在300-330℃下稳定化退火1h，之后压光、矫直得到成品板材，然后对成品板材采用搅拌摩擦焊接，得到焊接后的产品；
所述含Sc和Zr的铝镁合金铸锭中，Mg的含量为5.5-6.1wt.%、Mn0.3-0.45wt.%、Sc0.25wt.%、Zr0.12wt.%；
对成品板进行搅拌摩擦焊接，具体方法如下：
（1）成品板材焊接前，对焊件表面进行清理，使用丙酮或酒精擦拭后，再用钢丝刷将焊接区域表面刷净；
（2）将两块宽100 mm，长400 mm的薄板固定在搅拌摩擦焊机上，进行单道次对焊，搅拌头为锥形，搅拌针直径为2mm， 轴肩直径为 10 mm，转速为 600 rpm，焊速为500-800mm/min，焊接方向与轧制方向平行；得到焊接后的产品。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：所述含Sc和Zr的铝镁合金铸锭，以质量百分比计，由下述组分组成：
Mg5.5-6.1%、Mn0.3-0.45%、Sc 0.25%、Zr0.12%、Cu0.05%、Zn0.03%、Ti0.03%、Si0.08%、Fe0.1%、余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：对铸锭在300-350℃进行均匀化处理。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：对铸锭在300℃进行均匀化处理。
5.根据权利要求1所述的一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：均匀化处理的时间为6-10小时。
6.根据权利要求1所述的一种提高铝镁系合金薄板搅拌摩擦焊接头强度的方法，其特征在于：焊接后，焊接接头的抗拉强度为429~440MPa；焊接接头的屈服强度为336~348MPa；焊接接头的延伸率为6~8.8%；平均焊接系数为95.8~96.5%。
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Patent Citations (8)
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