專利名稱：提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過(guò)調(diào)整初始晶粒取向，提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)焊接研究所1991年發(fā)明的一項(xiàng)固相連接技術(shù)專利，其方法是由一個(gè)特定形狀的攪拌針插入被焊工件的接縫處，通過(guò)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，使得軸肩和攪拌針與被焊工件發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱量，從而使被焊接部位材料溫度升高軟化達(dá)到熱塑性狀態(tài)，近縫區(qū)熱塑性狀態(tài)的被焊材料在攪拌針的旋轉(zhuǎn)攪拌作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，且沿焊接方向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在軸肩頂鍛壓力下完成焊接的過(guò)程。目前，攪拌摩擦焊(FSW)已廣泛應(yīng)用于鎂合金，同時(shí)也申請(qǐng)了大量關(guān)于攪拌摩擦焊接鎂合金的專利。例如“一種中厚板AZ31鎂合金的攪拌摩擦焊接方法”(申請(qǐng)?zhí)?201010M0914. 7)，介紹了一種適合中厚板AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接的工藝及方法。但是人們?cè)谘芯挎V合金攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的力學(xué)性能普遍低于鎂合金母材，尤其是具有鍛造組織的鎂合金母材，其結(jié)合強(qiáng)度只有母材的 60-80%，嚴(yán)重影響了鎂合金攪拌摩擦焊接件的應(yīng)用。目前，大量的學(xué)者正從事如何提高鎂合金攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能方面的研究。但大部分學(xué)者采用的方法是調(diào)整焊接工藝參數(shù)，控制焊接熱輸入，焊后獲得細(xì)小晶粒組織，提高接頭的力學(xué)性能。雖然這種方法具有一定效果，但是由于攪拌摩擦焊接鎂合金缺乏一套工藝標(biāo)準(zhǔn)，所以調(diào)整焊接工藝參數(shù)需要經(jīng)過(guò)大量的嘗試性試驗(yàn)，這不但需要花費(fèi)大量的時(shí)間，還增加了經(jīng)濟(jì)成本。研究發(fā)現(xiàn)，在鎂合金塑性變形過(guò)程中容易形成具有特定取向的晶粒結(jié)構(gòu)，即形成織構(gòu)。織構(gòu)的形成將嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能，使金屬材料的性能下降可達(dá)20%-50%。攪拌摩擦焊接鎂合金，尤其是具有鍛造組織的鎂合金，接頭強(qiáng)度普遍低于鎂合金母材，其中一個(gè)很重要的原因就是在攪拌摩擦焊接的過(guò)程中，容易形成一種特定的晶粒取向，這種取向在受力過(guò)程中便于發(fā)生滑移開(kāi)裂，從而降低了鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明專利提出了提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法，該方法在攪拌摩擦焊接之前，通過(guò)調(diào)整鎂合金的初始晶粒取向，改善接頭過(guò)渡區(qū)域的晶粒取向，大大改善鎂合金接頭的力學(xué)性能，使接頭與母材的強(qiáng)度接近，以保證鎂合金攪拌摩擦焊接件的應(yīng)用。本發(fā)明專利所述的技術(shù)方案是，提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法， 有以下步驟
1)取鎂合金板材，經(jīng)過(guò)軋制或壓縮或鍛造至鎂合金板材中的晶粒取向一致，用X射線衍射分析(XRD)或者背散射電子衍射分析測(cè)出鎂合金板材中晶粒取向，得到經(jīng)整理晶粒取向的鎂合金板材1 ；2)切取鎂合金板材1，得到晶粒取向與鎂合金板材的水平表面之間形成夾角的鎂合金板材2 ；
3)用攪拌摩擦焊接法，對(duì)接焊接兩塊鎂合金板材2，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鎂合金攪拌摩擦焊接頭。步驟2)所述的夾角為0-90°。鎂合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度最好時(shí)，鎂合金板材2的晶粒取向與該板材水平表面之間的夾角為0°或90°。鎂合金攪拌摩擦焊接頭延伸率最好時(shí)，鎂合金板材2的晶粒取向與該板材水平表面之間的夾角為45°。采用本發(fā)明方法所得鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的優(yōu)良力學(xué)性能，接近母材抗拉強(qiáng)度或者接近母材延伸率(接近程度達(dá)母材抗拉強(qiáng)度或延伸率90%以上)。本發(fā)明所述的接頭力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度和/或最大拉伸強(qiáng)度和/或最大延伸率。切割鎂合金板材時(shí)，可根據(jù)需要獲得不同力學(xué)性能的最佳值，調(diào)整鎂合金板材水平面與其橫截面晶粒之間夾角，所述夾角為ο度到90度之間的任何角度。本發(fā)明專利與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的顯著效果
1.調(diào)整鎂合金母材的初始織構(gòu)，控制鎂合金攪拌摩擦焊接區(qū)域的晶粒取向，使焊后接頭獲得理想的力學(xué)性能，解決鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的力學(xué)性能低于鎂合金母材的問(wèn)題，應(yīng)用價(jià)值大。2.調(diào)整鎂合金母材初始織構(gòu)的方法簡(jiǎn)單有效，且成本低廉。3.所用設(shè)備簡(jiǎn)單常見(jiàn)，成本較低，易于推廣。


圖1為在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間不同夾角得到鎂合金板材2的示意圖2是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為0° 板材2中橫截面晶粒取向示意圖3是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為45° 板材2中橫截面晶粒取向示意圖4是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為90° 板材2中橫截面晶粒取向示意圖5是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為0° 板材2時(shí)，F(xiàn)Sff接頭各區(qū)域晶粒取向示意圖6是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為45° 板材2時(shí)，F(xiàn)Sff接頭各區(qū)域晶粒取向示意圖7是在鎂合金板材1中切取與鎂合金板材水平表面之間夾角為90° 板材2時(shí)，F(xiàn)SW接頭各區(qū)域晶粒取向示意圖。
具體實(shí)施例方式在攪拌摩擦焊接之前，將鎂合金板材進(jìn)行塑性變形，如軋制或壓縮或鍛造，對(duì)原本
時(shí)所得到鎂合金時(shí)所得到鎂合金時(shí)所得到鎂合金時(shí)所得到鎂合金時(shí)所得到鎂合金時(shí)所得到鎂合金雜亂的晶粒取向進(jìn)行整理，用X射線衍射分析(XRD)或者背散射電子衍射分析測(cè)鎂合金板材晶粒取向，使其晶粒取向全部一致。例如經(jīng)過(guò)軋制后的板材，具有較強(qiáng)的基面織構(gòu)，即C 軸平行于ND (法線)方向。在切割軋制或壓縮或鍛造后的鎂合金板材1時(shí)，根據(jù)鎂合金板材橫截面晶粒取向?qū)Π宀倪M(jìn)行切割，以保證鎂合金板材橫截面晶粒與鎂合金板材水平面之間成一定的夾角， 如附圖1所示，若設(shè)圖1中的晶粒取向與板材水平面為90°，當(dāng)切割是沿板材的水平方向切割，可以使晶粒取向與板材水平面為90° ；當(dāng)切割是沿板材的水平方向呈45°角方向切割， 可以使晶粒取向與板材水平面為45° ；當(dāng)切割是沿板材的水平方向呈90°垂直方向切割， 可以使晶粒取向與板材水平面為0°。以晶粒取向與板材水平面為90°的鎂合金板材1為例，當(dāng)切割鎂合金板材1是沿板材的水平方向切割時(shí)，得到鎂合金板材2為具有典型的基面織構(gòu)，即C軸平行ND方向，如附圖2所示；當(dāng)切割鎂合金板材1是與鎂合金板材水平面之間成45度角時(shí)，得到鎂合金板材2為晶粒取向?yàn)镃軸從ND方向向TD (橫向)方向偏轉(zhuǎn)45度角，如附圖3所示；當(dāng)切割鎂合金板材1是與鎂合金板材水平面之間成90度夾角時(shí)，得到鎂合金板材2為晶粒取向?yàn)镃軸平行于TD方向，如附圖4所示?！?，如上述，可以得到具有特定晶粒取向的鎂合金板材2。因此通過(guò)選擇切割鎂合金板材1與鎂合金板材水平面之間的不同夾角，能有效地改變了鎂合金板材2即焊接板材的初始晶粒取向，而獲得特定的織構(gòu)。上述鎂合金板材2用攪拌摩擦焊接法，對(duì)接焊接，可以獲得成形良好的焊接接頭。而由于焊接板材過(guò)程中，焊接接頭晶粒取向發(fā)生改變，使得鎂合金焊接接頭各個(gè)區(qū)域的晶粒取向不相同，將焊接后的鎂合金板材分為包括母材區(qū)(Base metal)、熱機(jī)械影響區(qū) (TMAZ)以及攪拌區(qū)(SZ)，若如當(dāng)切割鎂合金板材1與板材水平面之間呈0度角時(shí)，各區(qū)域晶粒取向示意圖如圖5所示，其中圖中短線示意為鎂合金C軸，可知在母材區(qū)C軸平行于ND 方向。在過(guò)渡區(qū)熱機(jī)械影響區(qū)C軸與TD方向呈一夾角，而在攪拌區(qū)C軸與ND、TD和WD(焊接方向)呈一定夾角(圖中未給出攪拌區(qū)C軸取向示意圖);當(dāng)切割鎂合金板材1與板材水平面之間呈45度角時(shí)，各區(qū)域C軸取向如圖6所示，在熱機(jī)械影響區(qū)于攪拌區(qū)晶粒取向相似， 但是與各方向(ND、TD、WD)夾角稍有不同，但是母材區(qū)的晶粒C軸從ND方向向TD (橫向)方向偏轉(zhuǎn)45度角；當(dāng)切割鎂合金板材1與板材水平面之間呈90度角時(shí)，如圖7所示，熱機(jī)械影響區(qū)與攪拌區(qū)C軸分布與其他兩種板材焊接接頭相似，與各方向(ND、TD、WD)夾角不同， 而母材區(qū)C軸平行于TD方向。由于焊接接頭各區(qū)域晶粒取向不同，焊接接頭在拉伸過(guò)程中塑性變形機(jī)制不同， 而導(dǎo)致所得屈服強(qiáng)度、最大拉伸強(qiáng)度和最大延伸率不同。例如在切割鎂合金板材1與板材水平面之間成O度和90度角時(shí)，攪拌區(qū)晶粒尺寸很小，一般難以開(kāi)裂，因此攪拌區(qū)考慮較少。而在母材區(qū)C軸與橫向拉力方向分別成90度和0度，此時(shí)的khmid factor幾乎為 0，難以發(fā)生拉伸開(kāi)裂，或?qū)l(fā)生孿晶協(xié)調(diào)變形，從而獲得更高的最大拉伸性能，鎂合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度最好。而當(dāng)切割鎂合金板材1與板材水平面之間成45度角時(shí)，在母材區(qū)C軸與橫向拉力方向成45度，基面滑移khmid factor最大，便于基面滑移的開(kāi)動(dòng)，導(dǎo)致接頭屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度較低，而最大延伸率較大，得到鎂合金攪拌摩擦焊接頭延伸率最好。因此通過(guò)調(diào)整鎂合金板材2的晶粒取向，可以改善接頭各區(qū)域包括母材區(qū)、攪拌區(qū)、還包括攪拌區(qū)與母材之間的過(guò)渡區(qū)即熱機(jī)械影響區(qū)的晶粒取向。提高焊接接頭包括屈服強(qiáng)度、最大拉伸強(qiáng)度、最大延伸率的力學(xué)性能。并通過(guò)調(diào)整鎂合金橫截面晶粒取向與板材水平面之間呈之間的夾角，其夾角可以是在0度到90度之間的任何角度，而獲得不同力學(xué)性能的最佳值。以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例子，本發(fā)明專利不限于這些實(shí)施例。實(shí)施例1
選取經(jīng)軋制整理晶粒取向后的AZ31鎂合金板材1，其晶粒取向與鎂合金板材水平面之間成90度夾角，切割的鎂合金板材1與水平面為0度，得到AZ31鎂合金板材2，采用攪拌摩擦焊接方法以對(duì)接方式焊接了兩塊厚為6.0 mm的AZ31鎂合金板材2，軸肩直徑為15 mm，攪拌針直徑為5mm，長(zhǎng)度為5. 7 mm，焊接速度為600mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1600 rpm。經(jīng)檢測(cè)，焊接后的鎂合金板材接頭獲得最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到MlMpa，幾乎與母材強(qiáng)度(243Mpa) 等強(qiáng)，斷裂發(fā)生在母材，焊接結(jié)合效率為100%。最大延伸率為20.5%，小于母材最大延伸率 26. 5%ο實(shí)施例2
選取經(jīng)軋制整理晶粒取向后的AZ31鎂合金板材1，其晶粒取向與鎂合金板材水平面之間成90度夾角，切割的鎂合金板材1與水平面為45度，得到AZ31鎂合金板材2，采用攪拌摩擦焊接方法以對(duì)接方式焊接了兩塊厚為6. 0 mm的AZ31鎂合金板材2，軸肩直徑為15 mm，攪拌針直徑為5 mm，長(zhǎng)度為5. 7 mm。焊接速度為600 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1600 rpm。經(jīng)檢測(cè)，焊接后的鎂合金板材接頭獲得最大拉伸強(qiáng)度為212 Mpa，大于母材強(qiáng)度(204 Mpa)，斷裂發(fā)生在母材，焊接結(jié)合效率為100%。最大延伸率為35. 5%，略小于母材最大延伸率 36. 9%ο實(shí)施例3
選取經(jīng)軋制整理晶粒取向后的AZ31鎂合金板材1，其晶粒取向與鎂合金板材水平面之間成90度夾角，切割的鎂合金板材1與水平面為90度，得到AZ31鎂合金板材2，采用攪拌摩擦焊接方法以對(duì)接方式焊接了兩塊厚為6. 0 mm的AZ31鎂合金板材2，軸肩直徑為15 mm，攪拌針直徑為5 mm，長(zhǎng)度為5. 7 mm。焊接速度為600 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1600 rpm。經(jīng)檢測(cè)，焊接后的鎂合金板材接頭獲得最大拉伸強(qiáng)度為M5 Mpa，略小于母材強(qiáng)度(265 Mpa)，斷裂發(fā)生在接頭前進(jìn)側(cè)的攪拌區(qū)與熱機(jī)械影響區(qū)的交界處，焊接結(jié)合效率為95%。最大延伸率為26. 7%，略小于母材最大延伸率28. 6%。
權(quán)利要求
1.一種提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法，其特征在于有以下步驟1)取鎂合金板材，經(jīng)過(guò)軋制或壓縮或鍛造至鎂合金板材中的晶粒取向一致，用X射線衍射分析(XRD)或者背散射電子衍射分析測(cè)出鎂合金板材中晶粒取向，得到經(jīng)整理晶粒取向的鎂合金板材1 ；2)切取鎂合金板材1，得到晶粒取向與鎂合金板材的水平表面之間形成夾角的鎂合金板材2 ；3)用攪拌摩擦焊接法，對(duì)接焊接兩塊鎂合金板材2，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鎂合金攪拌摩擦焊接頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟2)所述的夾角為0-90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于鎂合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度優(yōu)良時(shí)，鎂合金板材2的晶粒取向與該板材水平表面之間的夾角為0°或90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于鎂合金攪拌摩擦焊接頭延伸率優(yōu)良時(shí)，鎂合金板材2的晶粒取向與該板材水平表面之間的夾角為45°。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高攪拌摩擦焊接鎂合金接頭力學(xué)性能的方法，有以下步驟1)取鎂合金板材，經(jīng)過(guò)軋制或壓縮或鍛造至鎂合金板材中的晶粒取向一致，用X射線衍射分析(XRD)或者背散射電子衍射分析測(cè)出鎂合金板材中晶粒取向，得到經(jīng)整理晶粒取向的鎂合金板材1；2)切取鎂合金板材1，得到晶粒取向與鎂合金板材的水平表面之間形成夾角的鎂合金板材2；3)用攪拌摩擦焊接法，對(duì)接焊接兩塊鎂合金板材2，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鎂合金攪拌摩擦焊接頭。該方法在攪拌摩擦焊接之前，通過(guò)調(diào)整鎂合金的初始晶粒取向，改善接頭過(guò)渡區(qū)域的晶粒取向，大大改善鎂合金接頭的力學(xué)性能，使接頭與母材的強(qiáng)度接近，以保證鎂合金攪拌摩擦焊接件的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102528271SQ20121001839
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者劉慶, 劉德佳, 周正, 李波, 辛仁龍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)