[发明专利]一种搅拌摩擦焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种利用原位反应，通过搅拌摩擦焊接在焊核区获得高体积分数的原位自生金属铝化物纳米粒子及残余单质金属粉焊料颗粒弥散分布的焊接接头，从而实现调控搅拌摩擦焊接头组织及性能，尤其是抑制焊核区焊后热处理过程的晶粒异常长大的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW)作为一种新型的焊接技术，近年来发展相当迅速。此项技术属于固相焊接，焊接工具与母材表面的摩擦生热和接合区材料变形产生的热量使接合区局部瞬时达到约为0.8Tm的高温状态，同时经历高应变速率(~10/s)强变形(~10)的机械混合，实现焊接。相比于传统熔焊，FSW的更多优点包括组织致密、缺陷少、残余应力小、焊件变形小、尺寸稳定性好，而且无需复杂的焊接预处理，加工速度快、效率高，是一种低成本高质量而且节能环保的焊接技术。FSW已经广泛应用于汽车、船舶、铁道车辆、火箭、飞机的制造，并体现出优越的性能，证明其作为新型的焊接工艺有非常广阔的应用前景。

焊接过程中焊核区的动态再结晶生成小于10μm的晶粒结构。细晶强化得到的力学性能大大优于传统焊接。然而，焊接之后的材料在很多情况下需要进行热处理。例如，(1)进行超塑性变形前需要高温预热；(2)热处理铝合金需要高温固溶热处理；(3)烤漆硬化所需经历的高温过程。大量研究报道了在这些热处理过程中，粗大晶粒极易在焊核区生成。这些大尺度晶粒(最大可达毫米级)的存在降低了焊核区材料的强度、疲劳性能、断裂韧性、以及大幅降低超塑性(AA2024中从500%降至100%)，甚至由于“桔皮效应”影响其加工之后的表面美观。领域内权威的综述文章也提出如何稳定搅拌摩擦焊接所得到的细晶结构是本领域3大关键研究问题之一。

发明内容

有鉴于现行工业生产的需要，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，提高搅拌摩擦焊接接头的质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种搅拌摩擦焊接方法，是一种将固相原位反应法和搅拌摩擦焊接工艺，通过添加单质金属Ti粉结合起来的新方法，利用原位反应，通过搅拌摩擦焊接工艺制备焊核区具有高体积分数的原位自生金属铝化物纳米粒子及单质金属粉焊料颗粒弥散分布的焊接接头，从而实现接头力学性能的提升以及抑制焊核区焊后热处理过程的晶粒异常长大。

一种搅拌摩擦焊接方法，利用原位反应，通过搅拌摩擦焊接工艺制备具有5%~15%体积分数的原位自生金属铝化物纳米粒子及单质金属粉焊料颗粒弥散分布的焊接接头，该方法包括如下步骤：

在待焊铝板贴合面附近开槽，形成加工区域；将两块所述待焊铝板沿开槽方向对接，置于搅拌摩擦焊机机床上，并用夹具固定；将待与基体发生原位反应的单质金属粉焊料填入槽内压实，并与所述待焊铝板表面平齐；利用与所述加工区域大小匹配的搅拌头，对所述待焊铝板进行多次搅拌摩擦焊接处理，得到焊核区具有高体积分数的原位自生金属铝化物纳米粒子及单质金属粉焊料颗粒弥散分布的焊接接头。

所述的待焊铝板为纯铝板或高强度铝合金板，厚度为1~3mm，在焊接前经过清洗和打磨，去除了杂质和氧化层。

所述的金属粉焊料为纯钛粉，平均颗粒度约为10~80μm。

所述的搅拌摩擦焊接处理过程中，所述搅拌头前进速度为20~100mm/min，所述搅拌头旋转速度为500~2000rpm。

所述的对铝板进行多次搅拌摩擦焊接处理为至少4道次。

采用本发明制备的铝板搅拌摩擦焊接接头，焊核区弥散分布着高体积分数的原位自生金属铝化物纳米粒子以及部分未参与原位反应的单质金属粉焊料颗粒，这些第二相粒子不但充当了小尺寸增强相，提高了焊接接头的综合力学性能，而且在焊后热处理过程中，也可以钉扎晶界，抑制焊核区晶粒异常长大，从而提高了焊核区细晶结构的稳定性。通过将原位反应法和搅拌摩擦焊接工艺结合起来的新方法，实现了对搅拌摩擦焊接接头组织和性能的调控。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的焊接接头组织的透视图。

图2是FSW前两块铝板对接的剖视图。

图3是FSW后两块铝板焊接接头组织的剖视图。

图4是本发明的一个较佳实施例的两块铝板焊接接头组织中原位自生Al3Ti纳米粒子及残余单质Ti颗粒的SEM照片。