一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，具體是指一 種采用攪拌摩擦焊技術連接的含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，屬于材 料的制備方法領域。
【背景技術】
[0002] 鋁合金是一種生態(tài)環(huán)境型材料，具有低密度、低能耗、可回收性好、比強度高、耐腐 蝕等優(yōu)點，其合金和焊接結構的使用是減輕整體結構重量，提高能源利用效率的有效途徑 之一，能避免或減輕對資源和能源的過度消耗。在眾多錯合金種類中，5xxx錯合金和6xxx 鋁合金是交通運輸行業(yè)當中運用最為廣泛的兩種系列鋁合金；目前汽車行業(yè)正從簡單殼 體汽車零件逐漸延伸到承載力的復雜結構零件，在滿足汽車輕量化進程中，5 XXX鋁合金和 6xxx鋁合金扮演了重要角色，被認為是實現(xiàn)運輸工具輕量化的主要材料。
[0003] 很多工業(yè)領域均需要大量異種鋁合金的連接構件，這樣可以發(fā)揮各自材料的性能 優(yōu)勢。在異種鋁合金的焊接過程中，其對焊接材料極其敏感，因此，絕大多數(shù)異種鋁合金組 合的熔化焊焊接接頭會產(chǎn)生如焊接裂紋、熱應力、脆性的金屬間化合物等缺陷，這樣會嚴重 降低異種鋁合金焊接接頭的使用性能，所以工業(yè)上盡量避免采用熔化焊方法焊接異種鋁合 金。
[0004] 攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW)是一種固態(tài)連接技術，其焊核區(qū)的最高 溫度預計在〇. 6-0.STni (Tni為熔化溫度），不存在凝固組織和由于脆性的樹枝晶和共晶相所 導致的機械性能惡化問題。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，F(xiàn)SW不需要焊材，焊接殘余應力小、焊縫 組織均勻細小、機械性能優(yōu)良，有著傳統(tǒng)焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，在航空、航天、船舶、 汽車等工業(yè)制造領域顯示出了強勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應用前景。本發(fā)明利用FSW技術， 選擇合適的工藝參數(shù)，制備了一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭， 該異種鋁合金焊接接頭含有納米晶復相組織，具有較高的抗拉強度、焊縫成型良好，綜合性 能大幅提高，其制備方法原理可靠，操作簡便，具有廣闊的市場前景。
[0006] 為達到以上技術目的，本發(fā)明提供以下技術方案。
[0007] 本發(fā)明利用攪拌摩擦焊，通過探索得到最佳的焊接工藝參數(shù)，制備了具有細小納 米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。
[0008] -種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，通過如下步驟制備：
[0009] (1)材料預處理：取兩塊5052-0和6061-T6鋁板，對5052-0和6061-T6鋁板對接 面用車削加工平整，保證焊接時兩塊板間不存在空隙，再用鋼刷打磨鋁板試樣表面，然后截 取兩塊尺寸為200X100X6mm含對接面的5052-0和6061-T6鋁板；
[0010] (2)將6061-T6置于焊接臺的前進側，5052-0置于回轉側，用夾具固定；
[0011] (3)采用攪拌摩擦焊技術對6061-T6與5052-0異種鋁合金進行焊接，焊接工藝參 數(shù)如下：壓下量為1~2mm，軸肩傾角為1~3°，轉速為800~1200rpm，焊速為40~80mm/ min，攪拌針置中，獲得一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。
[0012] 上述含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，第（3)步焊接過程中所 用的軸肩為內(nèi)凹形，直徑為16~20mm〇
[0013] 上述含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，第（3)步焊接過程中所 用的攪拌針為錐形，其底部直徑為4~8mm，頂部直徑為2~4mm，長度為5~6mm。
[0014] 本發(fā)明利用FSW原理，首先對6061-T6和5052-0鋁合金焊接端進行表面處理，然 后將6061-T6和5052-0鋁合金分別置于焊接臺的前進側和回轉側，利用高速旋轉的錐形攪 拌針扎入鋁板后沿焊接方向移動，凹形軸肩和錐形攪拌針分別與周圍材料摩擦產(chǎn)生熱量， 旋轉摩擦熱量使周圍材料形成塑性軟化層，軟化的金屬在攪拌頭的作用下填充攪拌針后方 所形成的空腔，并在攪拌頭軸肩與攪拌針的攪拌及擠壓作用下，通過相互擴散和動態(tài)再結 晶形成一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。
[0015] 利用透射電鏡（TEM)對5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭組織結構和納米晶 組織進行研究。用拉伸試驗對5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭進行力學性能研究。
[0016] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：用該方法制備的5052-0/6061-T6攪拌摩擦 焊焊接接頭內(nèi)含有大量的納米晶組織，機械性能好；制備工藝簡便易行。
【附圖說明】
[0017] 圖1為制備含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭的焊接裝置結構 示意圖。
[0018] 圖2為軸肩和攪拌針的結構示意圖。
[0019] 圖3為5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭焊核區(qū)的TEM圖。
[0020] 圖4為5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭的拉伸斷口的SEM圖。
[0021] 圖1中：1_回轉偵h2_前進側；3-焊核區(qū)；4-軸肩；5-攪拌針；6-攪拌區(qū)域；7-焊 接方向。
【具體實施方式】
[0022] 下面根據(jù)附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
[0023] 實施例1
[0024] -、一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭的制備（見圖1、圖2)
[0025] 取兩塊5052-0和6061-T6鋁板，對其焊縫橫截面用車削加工平整，保證焊接時兩 塊板間不存在空隙。之后用鋼刷打磨試樣表面，然后截取兩塊尺寸為200X100X6mm含對 接面的5052-0和6061-T6鋁板。將6061-T6置于焊接臺的前進側2,5052-0置于回轉側1， 用夾具固定，利用高速旋轉的錐形攪拌針扎入鋁板后沿焊接方向7移動，旋轉摩擦產(chǎn)生的 熱量使周圍材料形成攪拌區(qū)域6,攪拌區(qū)域內(nèi)軟化的金屬通過相互擴散和動態(tài)再結晶形成 異種鋁合金焊接接頭。
[0026] 制定合理的焊接工藝參數(shù)，對5052-0和6061-T6鋁板進行攪拌摩擦焊，制得含有 納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。本發(fā)明采用凹形軸肩4和錐形攪拌針5,這 種搭配可以產(chǎn)生更高的熱輸入和溫度，并能提供更多的均勻攪拌區(qū)。所用的軸肩為內(nèi)凹形， 直徑為18mm;所用的攪拌針為錐形，其底部直徑為6_，頂部直徑為3_，長度為5. 7_。
[0027] 焊接工藝參數(shù)見表1 :
[0028] 表1含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭的焊接工藝參數(shù)
[0029]
[0030] 二、5052-0/6061-T6異種鋁合金焊接接頭的組織觀察和性能測試
[0031] 分析5052-0/6061-T6異種鋁合金焊接接頭的顯微組織和力學性能。圖3為 5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭焊核區(qū)3(圖1中）的TEM圖，其組織晶粒細小，存在 一定數(shù)量的納米晶粒和位錯結構。圖4為5052-0/6061-T6攪拌摩擦焊焊接接頭的拉伸斷 口SEM圖，拉伸斷口位于5052側HAZ處，抗拉強度為210MPa，屈服強度為146. 5MPa，其斷口 呈現(xiàn)韌性斷裂特征。
[0032] 1、焊接接頭微觀組織分析：
[0033] 利用FEItecnaiG2F30型透射電子顯微鏡對焊接接頭進行組織結構分析表明，焊 核區(qū)晶粒較為細小且存在大約5nm的納米晶粒和位錯，存在的小黑點是一些富硅顆粒，如 圖3所示。這是因為在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針與工件及軸肩與工件之間產(chǎn)生大量的 熱量，使周圍材料塑化，并充分流動，焊縫溫度上升到再結晶要求的溫度。此時，位錯在攪拌 力作用下密度不斷增加，當儲存能增加到一定程度足夠發(fā)生再結晶時，塑化的材料內(nèi)便不 斷形成晶核。這種結晶過程是塑性材料在焊接熱循環(huán)的作用下發(fā)生動態(tài)再結晶過程，形成 的晶粒來不及長大就會在攪拌針的作用下被打碎，形成等軸、細小的晶粒。
[0034] 2、焊接接頭拉伸性能分析：
[0035] 采用CMT-5105型電子萬能試驗機對5052-0/6061-T6異種鋁合金焊接接頭進行室 溫拉伸試驗，所得拉伸斷口SEM圖片如圖4所示。由圖4可以看出，斷口呈現(xiàn)典型的韌窩聚 集型斷裂，韌窩呈現(xiàn)等軸狀，大小韌窩相間分布，表明該接頭具有良好的韌性。
[0036] 實施例2
[0037] 調整焊接工藝參數(shù)，采用對接焊接對5052-0/6061-T6異種鋁合金進行焊接，焊接 工藝參數(shù)見表2 :
[0038] 表2含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭的焊接工藝參數(shù)
[0039]
[0040] 得到成型良好的含有納米晶復相組織的5052-0/6061-T6異種鋁合金焊接接頭， 其焊核區(qū)存在大約5nm的納米晶粒和位錯，其接頭斷口形貌呈現(xiàn)明顯的微孔聚集型斷裂特 征，顯示出良好的韌性。
【主權項】
1. 一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，通過如下步驟制備： (1) 材料預處理：取兩塊5052-0和6061-T6鋁板，對5052-0和6061-T6鋁板對接面用 車削加工平整，保證焊接時兩塊板間不存在空隙，再用鋼刷打磨鋁板試樣表面，然后截取兩 塊尺寸為200 X 100 X 6mm含對接面的5052-0和6061-T6鋁板； (2) 將6061-T6置于焊接臺的前進側，5052-0置于回轉側，用夾具固定； (3) 采用攪拌摩擦焊技術對6061-T6與5052-0異種鋁合金進行焊接，焊接工藝參數(shù)如 下：壓下量為1~2mm，軸肩傾角為1~3°，轉速為800~1200rpm，焊速為40~80mm/min， 攪拌針置中，獲得一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭。2. 如權利要求1所述的含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，其特征在 于，第（3)步焊接過程中所用的軸肩為內(nèi)凹形，直徑為16~20mm。3. 如權利要求1所述的含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，其特征在 于，第⑶步焊接過程中所用的攪拌針為錐形，其底部直徑為4~8mm，頂部直徑為2~4mm， 長度為5~6mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有納米晶復相組織的高性能異種鋁合金焊接接頭，通過如下步驟制備：(1)取兩塊5052-O和6061-T6鋁板，對接面用車削加工平整，再用鋼刷打磨鋁板試樣表面；(2)將6061-T6置于焊接臺的前進側，5052-O置于回轉側，用夾具固定；(3)采用攪拌摩擦焊技術對6061-T6與5052-O異種鋁合金進行焊接，焊接工藝參數(shù)如下：壓下量為1～2mm，軸肩傾角為1～3°，轉速為800～1200rpm，焊速為40～80mm/min。本發(fā)明含有納米晶的復相組織，具有較高的抗拉強度、焊縫成型良好，綜合性能大幅提高，其制備方法原理可靠，操作簡便，具有廣闊的市場前景。
【IPC分類】B23K20/24, B23K20/12, B23K20/233, B23K103/10, B23K101/18
【公開號】CN105108308
【申請?zhí)枴緾N201510563317
【發(fā)明人】王斌, 雷菠菠, 朱加祥, 周培山, 武斌, 楊眉, 王良, 吳登
【申請人】西南石油大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年9月7日