CN113828907B - 一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法、接头及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法、接头及应用，包括以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板的搭接板材，所述铝板表面加工多个盲孔组，所述盲孔组由多个呈对数螺旋线形状的盲孔组成，所述盲孔内加入高熵合金粉末，采用搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接，所述的高熵合金粉末为AlCoCrFeNi。与传统的搭接焊技术相比较，采用本方降低了铝镁异种材料焊接过程中金属间化合物的生成同时增强了搅拌区内金属的流动，有效提高了焊接接头的强度。该焊接过程操作简单，在有效改善结构性能组织的同时不用增加焊接周期。

Description

一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法、接头及应用

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法、接头及应用。

背景技术

近年来由于机械轻量化的发展，镁和铝合金不可避免地需要被焊接在一起。熔化焊是如今工业领域应用最广的焊接方式，但由于镁铝合金的物理化学性能差异较大，不适合以熔化焊的方式焊接。搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所在1991年发明的一种新型固相连接技术。该技术能有效减少传统熔化焊中产生的气孔和夹杂物，具有接头变形小、焊接过程自动化、接头质量高等特点。同时于其他焊接工艺相比搅拌摩擦焊接过程中热输入较低，可有效减少金属间化合物的生成，现广泛应用于镁、铝等异种材料焊接领域。

搅拌摩擦焊可以实现对接、搭接（包括点焊和线焊）等形式的焊接。近年来，搅拌摩擦搭接焊作为搅拌摩擦焊接的重要形式之一，其技术已经愈发成熟且在工程领域得到了越来越广泛的应用，但是如何提升搭接接头性能一直是热门的研究方向。对于异种材料搭接焊而言，由于在焊接过程中热输入的存在会不可避免地导致异种材料间反应，这会在焊缝处产生金属间化合物。研究表明，对于铝镁搅拌摩擦搭接焊而言，在焊接过程中会产生絮状（Al₁₂Mg₁₇）金属间化合物和条带状（Al₃Mg₂）金属间化合物。若不添加中间层以降低金属间化合物的生成会严重影响搅拌区内金属的流动，从而影响焊接接头力学性能。

常见的改善铝镁搭接焊的方法是在焊接时在镁铝中添加锌层来阻隔铝镁的反应，但这种引入锌层焊接方法不可避免地增加了搭接件厚度，严重影响了工件在实际服役过程中的精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法、接头及应用。

一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，包括以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板的搭接板材，所述铝板表面加工多个盲孔组，每个所述盲孔组由多个呈对数螺旋线形状的盲孔组成，所述盲孔内加入高熵合金粉末，采用搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接，所述的高熵合金粉末为AlCoCrFeNi。

进一步的，相邻两个盲孔组之间间隔4mm，所述盲孔组内的相邻两个盲孔间隔1~2mm布设，所述盲孔的形状为圆柱体，盲孔的直径为2mm，盲孔深度为1mm；所述搅拌摩擦焊接包括至少一道次的搅拌摩擦焊接。

进一步的，所述搅拌摩擦焊接包括焊接方向相同的第一道次焊接和第二道次焊接，第一道次焊接和第二道次焊接间隔4~6mm。

进一步的，所述的AlCoCrFeNi的粒度范围为15~20μm。

进一步的，所述搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接时，压入搭接上板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min，搅拌头的倾斜角为2°，所述倾斜角指搅拌头的轴线与垂直于搭接上板的垂线之间的夹角。

进一步的，所述镁板与铝板的厚度相同，均为3~5mm。

进一步的，所述搅拌头包括连接的轴肩和搅拌针，轴肩直径为16~20mm，搅拌针直径为3.5～6.5mm，搅拌针长度小于搭接板材的总板材厚度。

具体的，包括以下步骤：

步骤一、打磨待焊铝板和镁板的表面，所述的镁板为AZ系镁合金，铝板为纯铝或铝合金；

步骤二、在铝板的搭接部分按对数螺旋线每隔1~2mm加工多个直径为2mm，深度为1mm的盲孔，并向所述盲孔内加入AlCoCrFeNi高熵合金粉末；

步骤三、以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板，采用搅拌头对镁板进行搅拌摩擦焊接，搅拌头压入镁板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min。

一种焊接接头，采用本发明所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法制备得到，所述的焊接接头的剪切强度为6000~6400N。

本发明所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法用于制备焊接接头的应用。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、与现有技术相比较，采用本方法有效改善了焊接接头内材料的流动，高熵合金粉末还作为一种新型润滑剂还是首次以中间层的形式添加到铝镁搭接焊中，不会增加搭接高度，有效提高了工件精度。不仅不需要设计特殊搅拌头，而且也不需要改变被焊工件的形状，既保障了操作方便简单又提高了性能。

2、本发明成功改善了搭接焊接接头金属的流动，使接头流动呈现出分层对流现象，有效提高了焊接接头的强度。

附图说明

图1是本发明的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法示意图；

图2是镁板和铝板搭接部分铝板表面开孔形状示意图；

图3是铝板表面添加高熵合金粉末辅助搅拌摩擦焊接过程示意图；

图4是实施例1中单道次焊接按对数螺旋线形状添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图；

图5是对比例1中单道次焊接未添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图；

图6是对比例2中单道次焊接以直线排列添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图；

图7是对比例3中开设对数螺旋线的盲孔内但不添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图；

图8是本发明添加AlCoCrFeNi高熵合金粉末焊接后的焊接接头的EDS图；

图9是实施例2（a）、对比例4（b）中所得焊接接头得剪切性能图。

具体实施方式

本发明包括以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板的搭接板材，所述铝板表面加工多个盲孔组，每个所述盲孔组由多个呈对数螺旋线形状的盲孔组成，所述盲孔内加入高熵合金粉末，采用搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接，所述的高熵合金粉末为AlCoCrFeNi。所述的镁板为AZ系镁合金，铝板为纯铝或铝合金。

本发明的技术原理为：一方面通过搅拌头上的搅拌针与铝板接触形成铝和镁的固相连接，另一方面利用搅拌针与盲孔中添加的高熵合金颗粒摩擦和塑性变形产热，使原本晶粒尺寸较大的高熵合金粉末破碎成更细小的颗粒，细小的高熵合金粉末为材料异分凝固提供了新的形核位点进一步细化了搅拌区晶粒尺寸，同时高熵合金粉末作为一种新型润滑材料改善了搅拌区内材料的流动特性，减少了镁铝脆性相的生成提高了接头力学性能，实现了镁板和铝板的搭接。

其中，异分凝固是指结晶出的晶体与母液的化学成分不一样，在搅拌摩擦焊接过程中由于搅拌头与材料表面的摩擦产热使固相金属向固溶态转变。但在该温度下并不能使高熵合金颗粒的状态发生改变，因此在焊接完成后的凝固过程中高熵合金颗粒就作为凝固开始点辅助基板凝固。高熵合金的化学成分及相组成均与基板不同因此称此过程为异分凝固。

形核位点：对于上述异分凝固过程而言，细小的外来颗粒可以作为材料凝固的初始形核位置，及材料依附于外来的细小颗粒开始凝固长大。

以下还对本发明所涉及的词组作以下解释说明：

绝热剪切带：是工程材料在高速冲压与成型、切削加工等动态变形过程中常见的一种剪切变形高度局域化现象，是高应变加载条件下材料变形、断裂的特殊机制。“绝热”特指材料在高速变形过程中变形时间极短，绝大部分的塑性功转化为热量并且来不及散失，近似认为整个高应变过程为绝热过程。绝热剪切带是一个剪切变形高度局域化的窄带形区域，由于材料在高速冲击下，局部塑性变形剧烈，所以产生的热量来不及传递出去导致变形加剧而产生的。

对于异种材料搅拌摩擦搭接焊而言，由于搅拌针的高速旋转而产生较高的热量和较大的剪切作用，搅拌区内不可避免的会发生异种材料间的相互流动。如何改善搅拌区内材料在焊接过程种的流动特性，以降低脆性金属间化合物的生成便是本发明的研究重点。

本发明在焊接前通过在铝板表面加工多个盲孔组，每个盲孔组由多个呈对数螺旋线形状的盲孔组成。对数螺旋线（

）的形状开孔，公式中

代表极径、e为自然常熟、

是常数、

为极角。其中

为0~2Π，构建对数螺旋线图案进行开孔。在本发明的实施例中，开孔选用参数a=1、

，e为2.718，根据此数值，极径

，进行加工盲孔。将AlCoCrFeNi合金加入到所开盲孔中后进行焊接。

相邻两个盲孔组之间间隔4mm，所述盲孔组内的相邻两个盲孔间隔1~2mm布设，所述盲孔的形状为圆柱体，盲孔的直径为2mm，盲孔深度为1mm；所述搅拌摩擦焊接包括至少一道次的搅拌摩擦焊接。

所述搅拌摩擦焊接包括焊接方向相同的第一道次焊接和第二道次焊接，第一道次焊接和第二道次焊接间隔4~6mm。

所述搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接时，压入搭接上板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min，搅拌头的倾斜角为2°，所述倾斜角指搅拌头的轴线与垂直于搭接上板的垂线之间的夹角。

所述镁板与铝板的厚度相同，均为3~5mm。

所述搅拌头包括连接的轴肩和搅拌针，搅拌针为圆柱形，轴肩直径为16~20mm，搅拌针直径为3.5～6.5mm，搅拌针长度小于搭接板材的总板材厚度。

实施例中采用的AlCoCrFeNi合金粉末是选用的真空熔炼法制备而成的，将等原子比的Al、Co、Cr、Fe、Ni纯金属粉末放入坩埚中，然后于真空炉中反复抽很空后冲入氩气作为保护气体进行熔炼制备而成。该步骤是由北京研邦新材料科技公司完成后购置而来的。AlCoCrFeNi的粒度范围为15~20μm。

本发明的高熵合金粉末在焊接过程中起到了润滑的效果进而改善了整个焊核区流动特性，使材料流动呈现出规律性，提高了焊接接头的强度。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

该实施例是对搭接底板7050铝合金和搭接上板AZ31镁合金实施搅拌摩擦搭接焊。包括以下步骤：

步骤一、打磨待焊铝板和镁板的表面，具体采用电动钢丝刷分别打磨待焊铝板和镁板的表面和周围30mm内清理干净，去除表面的氧化物；铝板和镁板的搭接宽度为30mm；

步骤二、在铝板的搭接部分按对数螺旋线每隔1~2mm加工多个直径为2mm，深度为1mm的盲孔，并向盲孔内加入AlCoCrFeNi高熵合金粉末，押平表面并抹去多余的粉末；本实施例每隔2mm进行打孔加工盲孔。

步骤三、以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板，采用搅拌头对镁板进行搅拌摩擦焊接，多个盲孔组排列成一条直线，沿着该直线对盲孔组进行单道次搅拌摩擦焊接，搅拌头压入镁板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min。

具体是将被焊的搭接底板7050铝合金置于搅拌摩擦焊接设备的工作台上，将被焊的搭接上板AZ31镁合金置于搭接底板7050铝合金上侧并用夹具固定，如图1所示，图中1代表镁板2代表铝板，使得两块板材在焊接过程中的相对位置不发生变化；选用圆台形搅拌针对搭接上板AZ31镁合金实施单道次焊接；待焊接完毕，打开夹具，取下搭接板材即可。

在本实施例中，搭接底板厚度H=4mm，搭接上板厚度h=4mm；搭接板材宽度W=50mm；搅拌头的轴肩直径D=18mm，搅拌针长度L=5.5mm；搅拌针直径为圆台形，其根部直径为6.5mm，顶部直径为3.5mm；以搅拌头的轴肩接触AZ31镁合金表面开始调控轴肩压下量为0.3mm。搅拌摩擦焊接的搅拌头旋转速度为750rpm，前进速度为30mm/min。

该实施例1成功对7050铝合金/AZ31镁合金进行了搅拌摩擦搭接焊处理。如图4所示，搅拌区内材料出现了均匀的螺旋状绝热剪切带，如图4中区域1、区域2、区域3所示。同时随离镁侧距离的增加螺旋状绝热剪切带逐渐变大，这表明高熵合金在铝镁搅拌摩擦焊接过程中作为一种新型的润滑材料有效改善了焊核区内部材料的流动。以对数螺旋线形状开孔添加粉末后搅拌摩擦焊接可以有效增加粉末与搅拌针的接触，并且有效控制了粉末的加入量使得加入的颗粒得到有效破碎不至于存在过大颗粒进而影响整个焊缝的力学性能；这种螺旋状流动降低了镁铝脆性相的产生，强度得到了有效提高。

对比例1

该对比例与实施例1相同，不同的是：在铝板上不开孔洞，也不添加AlCoCrFeNi粉末。用圆台搅拌头按图3所示的搅拌摩擦加工过程示意图进行单道次加工。

图5表示单道次焊接未添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图，如图可知，在未添加AlCoCrFeNi粉末进行单道次搅拌摩擦焊接时搅拌区内存在明显的“爪状”绝热剪切带，易形成应力集中而发生断裂。

如图5中区域2所示。绝热剪切带的形成是由于材料在搅拌头高速旋转作用下，局部塑性变形剧烈，所以产生的热量来不及传递出去导致变形加剧而产生的。图5区域1存在紊乱的流动线条这与区域2一起表明在焊接过程中搅拌区内部存在严重的不均匀流动情况，这种不均匀的材料流动会产生额外的金属间化合物从而降低焊接接头的力学性能。同时不同形状的绝热剪切带对加工件的性能有着不同的影响，图5b为图5a中区域2的局部放大图，图5b中的爪状结构的形成会导致在剪切变形过程中应力在此处集中，最终使整个工件失效，因此“爪状”的绝热剪切带的形成对材料的服役性能是有一定影响的。

对比例2

该对比例与实施例1相同，不同的是：在铝板上以直线形式每隔1mm开直径D=2mm的孔洞，在孔中添加AlCoCrFeNi粉末。用圆台搅拌头按图3所示的搅拌摩擦加工过程示意图进行单道次加工。

图6表示单道次焊接以直线排列添加高熵合金粉末的焊接接头宏观截面图，高熵合金粉末的加入使焊核区内材料流动出现了明显的分层现象，依次称为区域1、区域2。

如图可知，该对比例以直线形式开盲孔后添加AlCoCrFeNi粉末进行搅拌摩擦焊接时搅拌区内材料流动虽然与对比例1的未添加高熵合金粉末相比有了一定的改善，但因为加入量的不合理性导致搅拌区内成颗粒出现了团聚现象，并且因为以直线形状加粉仅能使得AlCoCrFeNi粉末与搅拌针的末端接触从而导致搅拌针不能施加足够的剪切力使高熵合金粉末破碎均匀。这就造成如图6区域2中所示，在搅拌区的下端存在有大小不均的高熵合金颗粒，拉伸性能测试时在该大颗粒附近出现应力集中现象从而使整个材料的力学性下降；区域1中也同样存在此缺陷。

对比例3

本对比例与实施例1相同，不同的在以对数螺旋线排布的盲孔内不添加AlCoCrFeNi粉末。

该对比例加工后得到的焊接接头宏观截面图如图7所示，从图中可以看出搅拌区内材料的流动与图5类似，同样有“爪状”的绝热剪切带的出现，这一现象说明不论以什么方式开孔，若不在所开盲孔中添加粉末颗粒对异种材料间的流动和阻隔效果是没有明显改善的。在铝板上以对数螺旋线排布的盲孔内不添加AlCoCrFeNi粉末的整体效果与未开盲孔效果类似，这是由于在搅拌摩擦搭接焊过程中被焊材料由于搅拌针和轴肩的热输入而软化，这种软化后的材料会在搅拌针搅拌的作用下填补未添加粉末颗粒的盲孔从而导致与未开盲孔有一样的效果。

为了更加直观的将实施例1与对比例1~3进行比较，图8为添加AlCoCrFeNi高熵合金粉末焊接后的焊接接头的EDS图；图8b的图中可以看出中间上部分AlCoCrFeNi高熵合金粉末作为中间层抑制了铝镁搭接焊过程中脆性金属间化合物生成。其中以高熵合金粉末为界限上侧金属为7050铝合金，下侧金属为AZ31镁合金。数据线7为Al与高熵合金的线性扫描（放大图如图8a）。

高熵合金因为具有较高的熔点和熵值所以一般认为在搅拌摩擦焊接过程中不会与铝、镁发生较为明显的扩散反应。从下侧扩散图（图8d）可以看出在高熵合金边缘处（EDS图28սm）与7050铝合金发生部分元素扩撒现象，但通过元素标定发现扩散层仅由Al、Mg、O三种元素组成未发现高熵合金组成元素Fe、Co、Cr、Ni，这说明导致发生元素扩散反应的原因可能是由于在搅拌摩擦焊接过程中镁附着在了高熵合金表面从而发生了扩散，同时还有可能是由于高熵合金为颗粒转结构，这种颗粒状的阻隔层不可避免的会存在间隙，铝镁元素可以通过这些间隙发生反应。上述现象的存在说明高熵合金并未与7050铝合金发生了反应而是铝镁层间的金属发生了扩散反应，高熵合金颗粒作为阻隔层的方案依然可行。

数据线8为Mg与高熵合金的线性扫描（放大图如图8c），从下侧扩散图（图8e）可以看出高熵合金未与AZ31镁合金未发生元素扩撒现象。这就证明了高熵合金可以作为一种新型的物理阻隔层抑制了搅拌摩擦焊接过程中Al、Mg间的反应。因此，从图7中可以看出高熵合金主要分布于异种材料的界面处，这也进一步提高了高熵合金的物理阻隔铝镁金属间化合物生成的效果。

实施例2：

该实施例与实施例1不同的是：本实施例每隔1mm进行打孔加工盲孔。选用圆台形搅拌针对搭接上板AZ31镁合金实施双道次同方向焊接，第一道次焊接的焊接区中心线和第二道次焊接的焊接区中心线之间的距离为5mm，待焊接完毕，打开夹具，取下搭接板材即可。

其中，搭接底板厚度H=6mm，搭接上板厚度h=6mm；搭接板材宽度W=50mm；搅拌头的轴肩直径D=18mm，搅拌针长度L=5.5mm，；搅拌针直径为圆台形，其根部直径为6mm，顶部直径为3mm；以搅拌头的轴肩接触AZ31镁合金表面开始调控轴肩压下量为0.2mm。搅拌摩擦焊接的搅拌头旋转速度为750rpm，前进速度为30mm/min；

对比例4：

该对比例与实施例2相同，不同的是：在铝板上不开孔洞，也不添加AlCoCrFeNi粉末。

如图9所示是实施例2与对比例4所得的焊接接头的剪切强度曲线图，其中a曲线表示实施例2中双道次同方向焊接添加AlCoCrFeNi粉末铝镁板材的焊接接头的剪切强度，经测量为6405N；b曲线表示对比例4中双道次同方向焊接未添加AlCoCrFeNi粉末铝镁板材的焊接接头的剪切强度，经测量为5906N。

该结果说明以对数螺旋线方式添加AlCoCrFeNi粉末后进行双道次同相焊接后焊接接头的剪切强度比未添加AlCoCrFeNi粉末后进行双道次同相焊接后焊接接头的剪切强度提高了8.5%。该剪切强度的提高相比传统的添加Zn层，可以称为有效的提高。与大面积的板材相比，通过开盲孔添加颗粒的方式可以有效的降低成本。

实施例3：

结合图2说明本实施方式，本实施方式中的对数螺旋线（

）

代表极径、e为自然常熟、

是常数、

为极角。其中

为0~2Π，

为任意常数构建对数螺旋线图案进行开孔。其他步骤与具体实施例2相同。上述实施例，只是本发明的较佳实施例即

，并非用来限制本发明的实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，包括以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板的搭接板材，其特征在于，所述铝板表面加工多个盲孔组，每个所述盲孔组由多个呈对数螺旋线形状的盲孔组成，所述盲孔内加入高熵合金粉末，采用搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接，所述的高熵合金粉末为AlCoCrFeNi；

相邻两个盲孔组之间间隔4mm，所述盲孔组内的相邻两个盲孔间隔1~2mm布设，所述盲孔的形状为圆柱体，盲孔的直径为2mm，盲孔深度为1mm；所述搅拌摩擦焊接包括至少一道次的搅拌摩擦焊接。

2.根据权利要求1所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接包括焊接方向相同的第一道次焊接和第二道次焊接，第一道次焊接和第二道次焊接间隔4~6mm。

3.根据权利要求1所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述的AlCoCrFeNi的粒度范围为15~20μm。

4.根据权利要求1所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌头对所述搭接板材进行搅拌摩擦焊接时，压入搭接上板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min，搅拌头的倾斜角为2°，所述倾斜角指搅拌头的轴线与垂直于搭接上板的垂线之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述镁板与铝板的厚度相同，均为3~5mm。

6.根据权利要求5所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌头包括连接的轴肩和搅拌针，轴肩直径为16~20mm，搅拌针直径为3.5～6.5mm，搅拌针长度小于搭接板材的总板材厚度。

7.根据权利要求6所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、打磨待焊铝板和镁板的表面，所述的镁板为AZ系镁合金，铝板为纯铝或铝合金；

步骤二、在铝板的搭接部分按对数螺旋线每隔1~2mm加工多个直径为2mm，深度为1mm的盲孔，并向所述盲孔内加入AlCoCrFeNi高熵合金粉末；

步骤三、以铝板为搭接底板，镁板为搭接上板，采用搅拌头对镁板进行搅拌摩擦焊接，搅拌头压入镁板0.1~0.3mm，搅拌摩擦焊接速度30mm/min，转速为750r/min。

8.一种焊接接头，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法制备得到，所述的焊接接头的剪切强度为6000~6400N。

9.权利要求1~7任一项所述的添加高熵合金辅助搅拌摩擦焊接方法用于制备焊接接头的应用。

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