專(zhuān)利名稱(chēng)：非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塊狀非晶合金與Al等異材連接技術(shù)，具體為一種通過(guò)攪拌摩擦焊的 方法在非晶合金過(guò)冷液相區(qū)進(jìn)行連接加工，使塊狀非晶合金與異質(zhì)金屬材料Al等攪拌連 接的方法。
背景技術(shù)：
非晶合金作為一種新型工程材料，在使用過(guò)程中有時(shí)需要與其他金屬進(jìn)行連接， 非晶合金的連接性問(wèn)題就受到了關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于非晶合金連接性研究已經(jīng)取得了 一些進(jìn)展。非晶合金連接方法主要包括爆炸焊、儲(chǔ)能脈沖連接、電子束焊、激光焊、摩擦焊 等五種。在這些連接方法中前四種均為熔化連接，這種方法容易導(dǎo)致焊后晶化、缺陷和焊縫 脆化；摩擦連接則被認(rèn)為是一個(gè)固態(tài)連接過(guò)程，由于接頭處合金不熔化，從而避免了晶化和 連接缺陷，能得到很高的力學(xué)性能，摩擦焊是連接非晶合金較為理想的一種連接方法。摩擦焊是利用工件接觸端面相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到 熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成連接的一種壓焊方法。Kawamura等最早采用摩擦連接的 方法實(shí)現(xiàn)了 Pd4QNi4(1P2Q、Pd40Cu30Ni10P20, Zr55Al10Ni5Cu30 和 ^41Ti14Cu12NiltlBe23 等非晶合金的 連接。連接接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng)，異種非晶合金之間進(jìn)行連接時(shí)，其玻璃化溫度Tg相 差低于50K，可以實(shí)現(xiàn)連接；但當(dāng)兩種不同的非晶合金間的玻璃化溫度Tg相差大于50K以 上時(shí)，則由于焊縫兩端非晶合金的變形程度不同而不能連接。同時(shí)，Kawamura研究組還 成功地完成了 ^41Ti14Cu12NitlBe23非晶合金對(duì)2017鋁合金和5038鋁合金的連接。而在 Zr41Ti14Cu12Ni10Be23與低碳鋼、Ti合金、7075鋁合金連接中，非晶合金單方面變形，從而導(dǎo)致 了連接的失敗。Kawamura等利用電子束連接方法成功地對(duì)^41Ti14Cu12NiltlBe23自身， Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與純& 金屬，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與 &合金(Zircaloy-4)的連接。但 對(duì) ^41Ti14Cu12NiltlBe23 與低碳鋼，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與 Ti 合金(Ti_6AL_4V)的連接失敗，另 外對(duì)^55AlltlNi5Cu3tl的電子束焊失敗。非晶合金^41Ti14Cu12NiltlBe23和晶態(tài)金屬&、&合金 的連接獲得了良好的連接接頭。接頭處靠近塊體非晶合金(BMG) —側(cè)的區(qū)域仍保持了玻璃 態(tài)組織，而靠近ττ金屬的區(qū)域沒(méi)有脆性相的形成。對(duì)接頭作拉伸實(shí)驗(yàn)，斷裂發(fā)生在ττ金屬 一側(cè)?？估瓘?qiáng)度與原純r(jià)Lx金屬同為400MPa。李波等采用激光連接技術(shù)連接塊體非晶合金&45Cu48A17。結(jié)果表明在連接熱循環(huán) 作用下，熔化區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒形貌和組織具有很大的差異，連接速率為2m/min時(shí)，熔 化區(qū)主要生成τ 5 (Zr38Cu36Al26)、ZrCu和一未知相，熱影響區(qū)主要生成相，連接速率為 4m/min時(shí)，熔化區(qū)保持了非晶特性，熱影響區(qū)部分晶化，其主要生成相為相，熱影響區(qū) 的晶化行為與非晶合金熱處理過(guò)程的晶化行為有一定的區(qū)別，其主要原因是激光連接時(shí)的 高速加熱及冷卻過(guò)程對(duì)各晶化相生長(zhǎng)速率影響程度不同。儲(chǔ)能脈沖連接熱量輸入集中，連接持續(xù)時(shí)間短。Kawamura等成功地連接了 ^55AlltlNi5Cu3tl 非晶態(tài)合金。
有關(guān)攪拌摩擦焊尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)與異質(zhì)金屬材料Al等晶體材料進(jìn)行焊接的方法，焊縫為非晶合金與Al等的混合物，焊縫強(qiáng)度不低于母材。本發(fā)明的技術(shù)方案一種非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，把攪拌摩擦焊接原理與非晶合 金過(guò)冷液相區(qū)具有粘滯流變的特性相結(jié)合，利用摩擦熱使非晶焊件溫度升至Tg溫度以上的 過(guò)冷液相區(qū)，非晶合金進(jìn)入粘滯流變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)非晶合金與異質(zhì)晶體金屬材料之間的連接。1、攪拌頭選擇對(duì)非晶合金與純Al等晶體材料連接，考慮到這兩種金屬在化學(xué)成 分、力學(xué)性能方面的巨大差異，即室溫下非晶合金的硬度很高，而純Al等晶體材料的硬度 較低。因此，在攪拌頭的設(shè)計(jì)中采用大的軸肩尺寸及圓柱形的攪拌焊針。選用兩種規(guī)格攪 拌焊針直徑為Φ 3. 0mm，長(zhǎng)度為1. 5mm，軸肩直徑分別為Φ 12. Omm和Φ8. 0mm。攪拌頭一般由耐高溫、抗磨損的材料制成，一般多采用中碳鋼、高碳鋼或工具鋼 等。本發(fā)明由于非晶合金的強(qiáng)度硬度較高，故攪拌頭材料采用具有良好耐磨性和高紅硬性 的M2高速鋼，并經(jīng)嚴(yán)格的常規(guī)熱處理。2、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在連接非晶合金時(shí)應(yīng)采用較高的攪拌頭速度，攪拌連接過(guò)程 中攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度控制在1000 2000rpm。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度提高到1445rpm時(shí)，焊縫 表面沒(méi)有犁溝，容易獲得成形良好的焊縫。3、連接速度在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，連接速度(ν)對(duì)連接焊縫成形的影響 很大。采用稍低的連接速度，容易獲得表面光潔、平整的焊縫。但若連接速度過(guò)低，則在焊縫 背面易因Al等晶體材料熔化而出現(xiàn)孔洞(焊透)缺陷。若連接速度過(guò)快，焊縫表面的粗糙 度差，容易在上表面出現(xiàn)犁溝?？傆幸粋€(gè)適當(dāng)?shù)倪B接速度范圍與其相對(duì)應(yīng)，降低旋轉(zhuǎn)速度， 連接速度則相應(yīng)的降低。只有攪拌焊頭的旋轉(zhuǎn)速度與連接速度合理匹配時(shí)，才能得到外觀 成形好、內(nèi)部無(wú)缺陷的優(yōu)質(zhì)焊縫，連接速度控制在10 30mm/min。4、當(dāng)其它工藝參數(shù)不變而改變連接壓力時(shí)，也會(huì)影響焊縫的成形。連接壓力較小 時(shí)，軸肩壓不住焊縫，容易在材料表面形成犁溝。但是，若連接壓力過(guò)大，則材料表面的熱塑 性金屬容易聚集在回轉(zhuǎn)側(cè)，從而在上表面形成較大飛邊，并導(dǎo)致攪拌焊針穿透背面，造成焊 透。攪拌摩擦連接工藝過(guò)程中，只有通過(guò)施加足夠的連接壓力才能在攪拌焊頭和焊件之間 獲得摩擦力進(jìn)而獲得足夠的摩擦熱能，同時(shí)，連接壓力起到限制塑性流體外溢，保證焊縫成 形的作用。因此，連接壓力的大小對(duì)連接質(zhì)量有重要的影響，連接壓力控制在15 35KN。本發(fā)明中，采用攪拌焊針為圓柱形的攪拌頭，當(dāng)工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度1445rpm，連 接速度14. 6,22. lmm/min，施加壓力20kN時(shí)，能成功實(shí)現(xiàn)塊體非晶合金與純Al等晶體材料 的連接，焊縫區(qū)上、下表面平整光滑，沒(méi)有飛邊、焊透等缺陷出現(xiàn)；軸肩直徑越大，焊縫表面 成型越好。本發(fā)明中，異質(zhì)金屬材料除了純Al之外，還可以為Al合金、Cu、Cu合金等。本發(fā)明的特點(diǎn)1、采用本發(fā)明后，接頭焊縫區(qū)的材料塑性流動(dòng)狀態(tài)明顯，前進(jìn)側(cè)的純Al等晶體材 料呈螺旋狀進(jìn)入非晶合金一側(cè)，材料混合較為均勻，且非晶合金沒(méi)有發(fā)生晶化，在連接過(guò)程中沒(méi)有其它晶相生成，非晶合金仍保持為非晶態(tài)。當(dāng)改變連接壓力、攪拌頭、連接速度時(shí)，焊 縫區(qū)材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度、晶化開(kāi)始溫度變化不大，說(shuō)明參數(shù)條件不影響非晶合金的結(jié)構(gòu)， 仍為非晶態(tài)。2、本發(fā)明中，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、連接速度和連接壓力對(duì)焊縫成形有重要影響。攪 拌頭的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，攪拌摩擦過(guò)程類(lèi)似于金屬的銑削加工，焊縫表面形成犁溝，得不到成形 好的焊縫。過(guò)低的連接速度、連接壓力和過(guò)高的連接速度、連接壓力對(duì)焊縫的成形都不好。3、采用本發(fā)明后，非晶合金和Al等晶體材料經(jīng)攪拌摩擦焊形成的焊縫是非晶合 金和Al等晶體材料的機(jī)械混合物。4、采用本發(fā)明后，焊縫的強(qiáng)度和硬度高于Al等晶體材料母材。5、采用本發(fā)明后，非晶合金與異材晶體Al等晶體材料的焊縫平整，無(wú)裂縫，無(wú)犁 溝，無(wú)飛邊，外觀效果好，焊縫組織結(jié)構(gòu)為非晶合金與晶體Al等晶體材料的混合物，非晶合 金與Al等晶體材料攪拌摩擦焊焊縫強(qiáng)度與硬度不低于Al等晶體材料母材。


圖1為攪拌摩擦焊過(guò)程中工件裝夾位置和攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向示意簡(jiǎn)圖；圖中，1塊體 非晶合金；2異質(zhì)金屬材料；3攪拌頭。圖2為非晶合金與Al攪拌摩擦焊焊縫的外觀形貌；其中，a)上表面；b)下表面。圖3為攪拌摩擦焊焊縫上表面的掃描電鏡(SEM)圖像。圖4為焊縫區(qū)的透射電子顯微照片；其中，a明場(chǎng)；b暗場(chǎng)。圖5為焊縫區(qū)的透射電子顯微及選區(qū)衍射照片。圖6為Φ 12mm軸肩攪拌頭試樣焊縫區(qū)X射線(xiàn)衍射譜。圖7為不同連接壓力下焊縫樣品的DSC曲線(xiàn)。圖8為連接試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌。圖9為非晶合金與工業(yè)純Al焊縫的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)。圖10為非晶合金與工業(yè)純Al焊縫區(qū)域顯微硬度分布曲線(xiàn)。圖11為攪拌頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，4攪拌焊針；5軸肩。圖12為非晶合金與Cu攪拌摩擦焊焊縫的外觀形貌；其中，a)上表面；b)下表面。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1選擇的非晶合金為&-Al-Ni_Cu，具體成分為^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，異質(zhì) 材料為工業(yè)純Al (晶體材料)。在焊接鋁與金屬玻璃過(guò)程中，試件的裝夾位置和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向?qū)τ诤附映晒?與否極為重要。如圖1所示，異質(zhì)金屬材料(Al) 2應(yīng)位于攪拌頭3的前進(jìn)側(cè)，塊體非晶合金 (金屬玻璃)1位于焊接的回轉(zhuǎn)側(cè)，這樣才能容易獲得成形良好的焊縫。這是因?yàn)锳l的傳 熱與金屬玻璃相比要快許多，它比金屬玻璃先達(dá)到塑性流變狀態(tài)，而在攪拌頭的后側(cè)面由 于長(zhǎng)時(shí)間的摩擦金屬玻璃溫度已處于過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)塑性流變要高于Al，旋轉(zhuǎn)方向使流變塑 性好的向相對(duì)不好的方向攪動(dòng)填充焊縫，這樣使焊縫充填較好。攪拌頭為攪拌焊針4與軸肩5連接構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，如圖11所示。摩擦連接的工藝技術(shù)條件為采用攪拌焊針直徑為 Φ3. Omm，長(zhǎng)度為1.5mm，軸肩Φ 12mm的攪拌頭，在轉(zhuǎn)速為1445rpm、20KN壓力、連接速度為 22. lmm/min的工藝條件下，實(shí)現(xiàn)了非晶合金與Al的連接。從宏觀上看連接接頭成形好，焊 縫上、下表面平整，無(wú)裂縫或犁溝，無(wú)飛邊，可觀察到典型的攪拌摩擦連接所形成的半圓弧 狀紋線(xiàn)。在連接過(guò)程中，攪拌焊針先與非晶合金摩擦生熱，溫升使非晶合金逐漸軟化，攪拌焊針插入非晶合金與Al接縫處。然后，攪拌頭軸肩與非晶合金或Al摩擦，進(jìn)一步使焊縫周 圍的非晶合金軟化，塑性變形抗力變小。攪拌焊針的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其周?chē)姆蔷Ш辖鸷虯l 流動(dòng)起來(lái)，塑化金屬向后流動(dòng)、填充，隨著攪拌頭向前移動(dòng)，從而形成焊縫，成功連接(見(jiàn)圖 2、3、4、5)。由圖2-圖5可以看出，焊接接頭成形好，焊縫上、下表面平整，無(wú)裂縫或犁溝，無(wú) 飛邊，可觀察到典型的攪拌摩擦焊接所形成的半圓弧狀紋線(xiàn)。非晶合金經(jīng)攪拌產(chǎn)生的流動(dòng)， 形成了非晶合金的流線(xiàn)，該流線(xiàn)進(jìn)入了焊縫區(qū)，與鋁產(chǎn)生了機(jī)械混合。在Al基體上彌散分 布著許多細(xì)小的非晶合金，顆粒與基體的界限較清晰分明，沒(méi)有觀察到微孔洞的存在，說(shuō)明 樣品是很致密的。非晶合金也以條狀形態(tài)鑲嵌于Al中。對(duì)圖5中區(qū)域進(jìn)行選區(qū)電子衍射， 得到了非晶典型的漫散射所形成的“暈”，并在暈的周?chē)霈F(xiàn)了一些晶態(tài)Al的衍射斑點(diǎn)，充 分證明了非晶與鋁產(chǎn)生了機(jī)械混合。實(shí)施例2連接選材同實(shí)施例1，不同之處在于連接速度選為14. 6mm/min,其它連接工藝條 件同實(shí)施例1。連接效果同實(shí)施例1，焊縫平整，無(wú)裂縫，無(wú)犁溝，無(wú)飛邊，外觀效果好，焊縫 無(wú)缺陷，焊縫結(jié)構(gòu)為非晶與純Al的混合物(見(jiàn)圖6、7)。由圖6-圖7可以看出，試樣的衍射 譜為非晶合金的漫散射峰上疊加一些衍射峰，這些峰位完全對(duì)應(yīng)純鋁的峰值，沒(méi)有其它晶 相的衍射峰出現(xiàn)，這說(shuō)明在非晶合金與純鋁的攪拌摩擦焊接過(guò)程中，非晶合金仍保持為非 晶狀態(tài)，在焊接過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)非晶合金的晶化現(xiàn)象，也沒(méi)出現(xiàn)因非晶合金與鋁的強(qiáng)烈塑 性變形而形成的新相。與原始態(tài)的非晶合金相比，焊縫的DSC曲線(xiàn)也具有典型的玻璃轉(zhuǎn)變 和晶化峰。在焊接壓力為17. 5kN、20kN和25kN所得試樣的DSC曲線(xiàn)確定的玻璃轉(zhuǎn)變溫度 分別為 408. 5°C、410. 0°C >408. 7°C，晶化開(kāi)始溫度分別為 490. 0°C >484. 1°C >491. 8°C，與鑄 態(tài)非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、晶化開(kāi)始溫度相差不大，說(shuō)明焊接前后試樣的非晶結(jié)構(gòu)基 本沒(méi)有變化，也沒(méi)有形成其它新相。因此，采用不同焊接壓力進(jìn)行焊接時(shí)不影響非晶合金的 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3連接選材同實(shí)施例1，不同之處在于連接壓力選為25KN，其它工藝條件同實(shí)施例 1。連接效果同實(shí)施例1，焊縫平整，無(wú)裂縫，無(wú)犁溝，無(wú)飛邊，外觀效果好，焊縫無(wú)缺陷，焊縫 結(jié)構(gòu)為非晶與純Al的混合物。焊縫抗拉強(qiáng)度約為llOMPa，焊縫區(qū)硬度值在HV90 300范 圍內(nèi)變化，遠(yuǎn)高于純Al硬度(見(jiàn)圖8、9、10)。由圖8-圖10可以看出，拉伸試樣的斷裂發(fā)生 在焊縫與純鋁交界純鋁一側(cè)，焊縫試樣的抗拉強(qiáng)度約為llOMPa，與工業(yè)純鋁在應(yīng)變速率為 IXlO-V1時(shí)的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。從非晶合金側(cè)到純鋁側(cè)顯微硬度值在下降，非晶合金一側(cè)的 顯微硬度值在HV530-HV700之間，純鋁側(cè)的硬度值約HV30，焊縫區(qū)的硬度值在HV90-HV300 的范圍內(nèi)變化，明顯低于非晶合金而高于純鋁的硬度。實(shí)施例4
選擇的非晶合金為&-Al-Ni_Cu，具體成分為^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，異質(zhì)材料為Cu (晶體材料)。如圖12所示，摩擦連接的工藝技術(shù)條件為采用攪拌焊針直徑為Φ3. 0mm，長(zhǎng)度為 1. 5mm，軸肩Φ 12mm的攪拌頭，在轉(zhuǎn)速為1445rpm、20KN壓力、連接速度為22. lmm/min的工 藝條件下，實(shí)現(xiàn)了非晶合金與Cu的連接。從宏觀上看連接接頭成形比較好，焊縫上、下表 面比較平整，裂縫、犁溝或飛邊不明顯，可觀察到典型的攪拌摩擦連接所形成的半圓弧狀紋 線(xiàn)。
權(quán)利要求
一種非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特征在于把攪拌摩擦焊接原理與非晶合金過(guò)冷液相區(qū)具有粘滯流變的特性相結(jié)合，利用摩擦熱使非晶焊件溫度升至Tg溫度以上的過(guò)冷液相區(qū)，非晶合金進(jìn)入粘滯流變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)非晶合金與異質(zhì)金屬材料晶體之間的連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特征在于 攪拌頭的設(shè)計(jì)考慮用大的軸肩尺寸和圓柱形攪拌焊針，選用兩種規(guī)格攪拌焊針直徑為 3mm，長(zhǎng)度為1. 5mm，軸肩直徑分別為12mm和8mm。
3.按照權(quán)利要求1所述的非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特征在于 攪拌頭材料選為M2高速鋼，并經(jīng)熱處理。
4.按照權(quán)利要求1所述的非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特征在于 攪拌連接過(guò)程中，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度控制在1000 2000rpm，連接速度控制在10 30mm/ min，連接壓力控制在15 35KN。
5.按照權(quán)利要求1所述的非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特征在于 異質(zhì)金屬材料為A1、A1合金、Cu或Cu合金等。
全文摘要
本發(fā)明涉及塊狀非晶合金與Al等異材連接技術(shù)，具體為一種通過(guò)攪拌摩擦焊接的方法在非晶合金過(guò)冷液相區(qū)進(jìn)行連接加工，使塊狀非晶合金與異質(zhì)金屬材料攪拌連接的方法。本發(fā)明基于攪拌摩擦焊接原理，通過(guò)攪拌焊針和軸肩與工件間的摩擦熱使焊縫金屬形成塑性軟化層，進(jìn)行塑性融合，并連接成為一個(gè)整體。非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)具有良好的變形和粘滯流變特性，為此提出利用攪拌摩擦焊的摩擦生熱能夠使非晶合金升溫達(dá)到過(guò)冷液相區(qū)溫度，非晶合金進(jìn)入粘滯流變狀態(tài)，然后通過(guò)攪拌頭的攪動(dòng)實(shí)現(xiàn)非晶合金的連接。本發(fā)明開(kāi)發(fā)出一種塊狀非晶合金連接新方法，拓寬了塊狀非晶合金在工程上的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101829844SQ20091001065
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者張海峰, 王中光, 胡壯麒, 覃作祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所