[发明专利]一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法

说明书

本发明公开了一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材，按重量百分比计包括如下组分：硅5~10%，铜3~5%，镍4~10%，钴≤3%，余量为铝。其能够充分满足铝/钢填材搅拌摩擦焊工业化生产的需要，提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉性能、塑韧性能及弯曲性能。本发明还公开了一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材的制备方法，其较为精练，铸锭无需轧制，容错率高。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊焊接材料，具体涉及一种用于铝/钢填材搅拌摩擦焊的铝基焊材及制备方法。

背景技术

低碳发展、节约能源、减少资源浪费的技术诉求呈现在加工制造业人员面前，这也成为了现阶段科研工作与实际生产生活的时代背景。随着铁路客车、汽车等大众交通工具制造业的迅猛发展，特别是高速铁路客车、航空航天工业、造船业的快速发展，轨道交通工具轻量化、以铝代钢的结构轻量化趋势在大的时代背景下，搅拌摩擦焊作为最有效、最直接的技术实现途径，科研工作者已经在汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体、底盘结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零部件、空调器、散热器、车身板、轮毂等方面大胆尝试使用铝/钢复合结构。由于铝合金与钢之间物理性质差异大等问题，熔化焊等传统熔焊技术难以获得成型好、性能优的焊接接头。

国内外学者对铝/钢搅拌摩擦焊研究后发现，利用搅拌摩擦焊技术焊接Fe/Al异种金属可获得铝/钢搅拌摩擦焊接头，但接头强度不高，抗弯性能不足，从而制约了搅拌摩擦焊在铝/ 钢异种金属连接中的发展。搅拌摩擦焊焊接过程中，铝/钢母材直接接触，生成较厚的硬而脆的Fe/Al金属间化合物，同时，由于铝合金和钢线膨胀系数相差较大，焊后接头存在较大残余应力，极易导致接头界面处开裂，难以走向实际生产生活。

为了解决铝/钢搅拌摩擦焊接头强度不足的难题，专家学者们在外加辅助热源、改变搅拌头形状等方面开展了研究。针对外加辅助热源来讲，该方法通过提高焊接热输入，使得焊接母材充分软化，改善母材金属的流动性能从而获得成性良好的搅拌摩擦焊接头。但较高的热输入促进了铝/钢界面反应，大量生成的IMCs沿界面连续分布造成接头强度明显下降。针对搅拌头形状来讲，该方法通过改变搅拌头的形状，增强搅拌头产热、带动金属流动的能力。但愈加复杂的搅拌头形状愈加难以加工，并且采用普通材料制造的搅拌头在对钢母材进行搅拌摩擦焊时磨碎严重，寿命极短，钨铼合金在文献中多有提及，但高额的原材料及加工价格使其难以得到普及。

CN107414283A公开了一种用于异种金属材料对接的自动送丝的搅拌摩擦焊方法，其涉及一种填材搅拌摩擦焊方法，该方法在铝/钢母材之间填加了Al-5Si焊材，不仅避免了待焊母材直接接触，阻碍了Fe/Al元素之间扩散，而且起到了润滑剂的作用，减少了焊接过程中搅拌头与母材之间的摩擦生热，减少了Fe-Al脆性金属间化合物的形成，显著地提高了铝/ 钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度。

但现有的焊材种类难以满足日渐增高的接头性能要求，张鑫等进行了加中间层(如 Zn、Al-5Si)的搅拌摩擦焊研究，研究结果表明中间层的加入能有效地提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度，但仍存着抗拉强度低、弯曲性能极差等难以克服的问题。Al-Si系焊材能有效减少Fe-Al金属间化合物的生成，从而显著的提高铝/钢搅拌摩擦焊接头的抗拉强度，但是其单一的元素组成不仅限制了接头强度的进一步提高，而且由于Fe、Al、Si之间形成的化合物塑韧性能较差，即使有较高的接头强度也难以在实际生产中得到应用。Zn-Al系焊材熔点低于搅拌摩擦焊焊接温度，焊接过程中，大量的液态金属在搅拌头顶锻力的作用力流出焊缝，造成金属缺失、焊缝出现孔洞等缺点，同时Zn大量挥发，不仅污染环境，同时会严重伤害操作人员的身体健康，这与搅拌摩擦焊自身绿色环保的技术优势背道而驰。

Si、Cu等元素含量很高时，在钎料组织中会形成大量的脆性相，如针状A1-Si共晶，或 Al-Si-Cu共晶，甚至块状的Si初晶，使针料本身的性能显著脆化，几乎完全没有韧性和塑性，脆断倾向极大，往往在服役条件下接头突然失效，造成整个铝/钢结构件突然断裂，从而酿成设备事故。