CN114633015B - 一种铝镁异种金属及其静轴肩搅拌摩擦焊工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于异种金属焊接技术领域，具体为一种铝镁异种金属及其静轴肩搅拌摩擦焊工艺和装置，选用含有一定量稀土的稀土镁合金和不含稀土的铝合金进行焊接，且在静轴肩侧面设置若干通孔，高压气体通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦，避免产生过热现象，不会出现焊缝开裂现象；高压气体形成的一定的气压可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。本发明采用更高的搅拌针转速和焊接速度实现铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊，改善了焊接成形质量和焊接接头的强度，提高了生产效率。

Description

一种铝镁异种金属及其静轴肩搅拌摩擦焊工艺和装置
技术领域
本发明涉及异种金属焊接技术领域，具体为一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺和装置及其制备得到的铝镁异种金属。
背景技术
搅拌摩擦焊(friction stir welding-简称FSW)是英国焊接研究所在1991年发明的一项新型固相连接技术，由于搅拌摩擦焊接过程中焊接温度较传统熔化焊接技术低，不产生熔化现象，可以有效的避免传统焊接缺陷，得到的焊件残余应力和变形小。传统的 FSW中，轴肩产热是主要的产热方式，这就需要很大的轴向力使轴肩与被焊材料摩擦产生足够的热量并使焊缝成形良好， 这对设备和夹具有很高的刚度要求。与此同时，FSW 焊接时的主轴扭矩和搅拌工具所受的阻力很大，因而消耗的电动机功率较大。
静轴肩搅拌摩擦焊是一种在传统搅拌摩擦焊基础上发展而来的技术。不同于传统搅拌摩擦焊焊具的轴肩和搅拌针是一体式的，静止轴肩焊具的轴肩和搅拌针是分离的，焊接过程中，搅拌针旋转并插入到待焊材料中，而轴肩不旋转。静轴肩搅拌摩擦焊过程中仅通过搅拌针高速旋转实现材料连接，焊接过程产热少、焊接变形小、接头性能损失小，而且静止轴肩不压入焊缝，故不存在焊缝减薄的现象。
静轴肩搅拌摩擦焊已经可以实现异种金属的焊接，经过对静轴肩搅拌摩擦焊后铝合金和镁合金的焊缝进行分析发现，镁合金在搅拌摩擦焊过程中呈层状嵌入到铝合金基体中, 这种层状结构当中出现的极微小空洞常常出现在靠近镁合金的一侧, 同时在连接界面还发现了狭长的中间层，对中间层进行分析发现，其中含有大量的Al12Mg17和Al3Mg2等脆性金属间化合物，这是对焊接成形质量和焊接接头强度影响的主要原因。
但是为了提高生产效率，研究人员通常会采用提高搅拌针转速和焊接速度的方式，然而，采用较高的搅拌针转速会加剧搅拌针与静轴肩和进入搅拌针和静轴肩缝隙的软化材料的摩擦，加快搅拌针和静轴肩的磨损和消耗，并且会由于搅拌针与静轴肩的摩擦导致静止轴肩出现温升情况，产生过热现象，引起超出控制范围的焊接形变，造成焊缝开裂现象，较快的焊接速度也会加剧焊缝开裂现象的发生。且对于那些对焊接热输入异常敏感的材料，例如铝和镁合金，降低对焊接材料的焊接热输入更有利于焊缝成形。
铝镁异种合金的静轴肩搅拌摩擦焊接过程中产生金属间化合物对焊缝组织和力学性能有不利影响，如何减少铝镁异种材料静轴肩搅拌摩擦焊接过程中生成的金属间化合物以提高接头组织性能并提高生产效率的研究未见报道。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，旨在解决目前在铝镁异种金属静轴肩搅拌摩擦焊时存在焊缝开裂、生成脆性夹杂物难以获得理想强度的焊接接头、生产效率不高等问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择同样厚度的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有一定量稀土的稀土镁合金，铝合金为不含稀土的铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，高压气体通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，以减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦；
S3.焊接
设定焊接工艺参数，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述铝合金为6061-T6铝合金。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述稀土镁合金为含有一定量稀土的AZ31B镁合金。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述稀土镁合金稀土含量为0.2-0.8wt%。具体的，可以为0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%或0.8wt%等。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述稀土为Nd、Y、Ce中的至少一种。
采用稀土镁合金与铝合金异种焊接的焊缝，由于稀土元素的引入，稀土元素可以与铝元素和镁元素形成高熔点、高热稳定性的金属间化合物，从而减少Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物的产生，镁合金在静轴肩搅拌摩擦焊过程中仍然是呈层状嵌入到铝合金基体中，且在连接界面并未发现Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物，从而提高了焊接成形质量和焊接接头的强度。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述镁合金薄板的厚度为4-6mm。具体的，可以为4mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5mm、5.3mm、5.5mm、5.7mm或6mm等。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述铝合金薄板的厚度为4-6mm。具体的，可以为4mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5mm、5.3mm、5.5mm、5.7mm或6mm等。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述高压气体为氮气、氩气等气体，可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述高压气体的压力为6-9MPa。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，设定的搅拌针的转速为1800-3000 r/min。具体的，可以为1800r/min、1900r/min、2000r/min、2100r/min、2200r/min、2300r/min、2400r/min、2500r/min、2600r/min、2700r/min、2800r/min、2900r/min或3000r/min等。
作为本发明所述的一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述焊接速度为150-300 mm/min。具体的，可以为150mm/min、180mm/min、200mm/min、220mm/min、250mm/min、270mm/min、300mm/min。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种铝镁异种金属，采用上述铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺制备得到。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊装置，用于实现上述铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，选用含有一定量稀土的稀土镁合金和不含稀土的铝合金进行焊接，由于稀土元素的引入，减少Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物的产生，且在静轴肩侧面设置若干通孔，使高压气体通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，以减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦，避免产生过热现象，不会出现焊缝开裂现象，提高了铝镁异种金属的焊缝成形效果；同时，高压气体形成的一定的气压可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。本发明可以采用更高的搅拌针转速和焊接速度实现铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊，改善了焊接成形质量和焊接接头的强度，提高了生产效率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动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。
本发明提供一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，选用含有一定量稀土的稀土镁合金和不含稀土的铝合金进行焊接，由于稀土元素的引入，减少Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物的产生，且在静轴肩侧面设置若干通孔，使高压气体通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，以减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦，避免产生过热现象，不会出现焊缝开裂现象，提高了铝镁异种金属的焊缝成形效果；同时，高压气体形成的一定的气压可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。本发明可以采用更高的搅拌针转速和焊接速度实现铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊，改善了焊接成形质量和焊接接头的强度，提高了生产效率。
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择厚度为4-6mm的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有0.2-0.8wt%稀土的AZ31B镁合金，铝合金为6061-T6铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，压力为6-9MPa的氮气或氩气通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，以减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦；同时可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。
S3.焊接
设定焊接工艺参数为：搅拌针转速为1800-3000 r/min，焊接速度为150-300 mm/min，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接。
实施例1
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择厚度为5mm的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有0.6wt%的稀土Nd的AZ31B镁合金，铝合金为6061-T6铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，压力为8MPa的氮气通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压；
S3.焊接
设定焊接工艺参数为：搅拌针转速为2300 r/min，焊接速度为200 mm/min，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接。
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
实施例2
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择厚度为6mm的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有0.5wt%的稀土Ce的AZ31B镁合金，铝合金为6061-T6铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，压力为8MPa的氮气通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压；
S3.焊接
设定焊接工艺参数为：搅拌针转速为2500 r/min，焊接速度为230 mm/min，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接。
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
实施例3
一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择厚度为4mm的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有0.6wt%的稀土Y的AZ31B镁合金，铝合金为6061-T6铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，压力为7MPa的氩气通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压；
S3.焊接
设定焊接工艺参数为：搅拌针转速为2000 r/min，焊接速度为260 mm/min，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接。
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，不进行步骤S2；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，镁合金采用不含稀土的AZ31D镁合金；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，镁合金采用含有0.1wt%的稀土Nd的AZ31B镁合金；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例4
与实施例1的不同之处在于，搅拌针转速为3500 r/min；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例5
与实施例1的不同之处在于，焊接速度为320 mm/min；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
对比例6
与实施例1的不同之处在于，氮气压力为4MPa；
焊接得到的铝镁异种金属薄板的性能结果如表1所示。
表1 本发明实施例和对比例铝镁异种金属薄板性能测试结果
焊缝接头成形质量 焊缝接头是否存在铝镁金属间化合物 焊缝接头抗拉强度/MPa
实施例1 表面光滑无开裂 否 156
实施例2 表面光滑无开裂 否 152
实施例3 表面光滑无开裂 否 155
对比例1 表面不光滑且开裂 存在少量铝镁金属间化合物 114
对比例2 表面不光滑且开裂 存在大量铝镁金属间化合物 119
对比例3 表面光滑但开裂 存在少量铝镁金属间化合物 131
对比例4 表面光滑但开裂 存在少量铝镁金属间化合物 126
对比例5 表面不光滑且开裂 存在少量铝镁金属间化合物 121
对比例6 表面不光滑无开裂 否 137
上述结果表明，本发明选用含有一定量稀土的稀土镁合金和不含稀土的铝合金进行焊接，由于稀土元素的引入，稀土元素可以与铝元素和镁元素形成高熔点、高热稳定性的金属间化合物，从而减少Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物的产生，镁合金在静轴肩搅拌摩擦焊过程中仍然是呈层状嵌入到铝合金基体中，且在连接界面并未发现Al12Mg17和Al3Mg2等脆性的金属间化合物；同时在静轴肩侧面设置若干通孔，使高压氮气通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压，减少进入搅拌针和静轴肩之间缝隙的软化材料，以减少搅拌针与静轴肩及进入缝隙的软化材料的摩擦，避免产生过热现象，不会出现焊缝开裂现象，同时，高压气体形成的一定的气压可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能。本发明可以采用更高的搅拌针转速和焊接速度实现铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊，改善了焊接成形质量和焊接接头的强度，提高了生产效率。
但是如对比例1-2所示，不选用含稀土的镁合金或者不对静轴肩搅拌摩擦焊装置进行改造，焊缝接头均存在铝镁金属间化合物，焊缝接头表面不光滑且开裂，焊缝接头仅能获得不高于120MPa的抗拉强度；如对比例3所示，采用本发明稀土含量范围之外的稀土镁合金进行焊接，焊缝接头存在少量铝镁金属间化合物，焊缝接头表面光滑但开裂，影响了焊缝接头强度，焊缝接头仅能获得130MPa左右的抗拉强度；如对比例4-5所示，虽然本发明可以采用更高的搅拌针转速和焊接速度实现铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊，但是超出本发明限定的搅拌针转速和焊接速度范围的技术方案进行铝镁异种金属焊接，焊缝接头会存在少量铝镁金属间化合物，焊缝接头会开裂，表面由于工艺参数不同会呈现光滑或不光滑的情形，因此，本发明也仅能实现一定程度的生产效率提升，过快的搅拌针转速和焊接速度将不利于形成质量和性能都满足要求的产品的制备；如对比例6所示，高压气体形成的一定的气压可以减少工件在搅拌摩擦焊接过程中与空气的接触，降低焊接过程的高温氧化的可能，如果高压气体压力过低，虽然焊缝接头不会存在铝镁金属间化合物且无开裂现象，但是由于软化材料会进入搅拌针和静轴肩缝隙以及高温氧化等原因会导致焊缝接头表面不光滑，影响焊缝接头的整体质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1.待焊金属原料准备
选择同样厚度的镁合金薄板和铝合金薄板备用，所述镁合金为含有一定量稀土的稀土镁合金，所述稀土镁合金稀土含量为0.2-0.8wt%；所述铝合金为不含稀土的铝合金；
S2.静轴肩搅拌摩擦焊装置改造
在静轴肩侧面设置若干通孔，高压气体通过通孔喷射在搅拌针与静轴肩之间的缝隙，形成一定的气压；所述高压气体的压力为6-9MPa；
S3.焊接
设定焊接工艺参数，将待焊金属原料放入焊接平台，实现铝镁异种金属的焊接；
所述步骤S1中，所述铝合金为6061-T6铝合金，所述稀土镁合金为含有一定量稀土的AZ31B镁合金，所述稀土为Nd、Y、Ce中的至少一种，所述镁合金薄板的厚度为4-6mm，所述铝合金薄板的厚度为4-6mm；
所述步骤S2中，所述高压气体为氮气或氩气；
所述步骤S3中，搅拌针的转速为1800-3000 r/min，焊接速度为150-300 mm/min。
2.一种铝镁异种金属，采用权利要求1所述铝镁异种金属的静轴肩搅拌摩擦焊工艺制备得到。
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