一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法，属于材料加工中的焊接工艺技术领域。使用纯铝外皮包裹碳纳米管和复合活性焊剂组成的混合粉料制成一种新型活性焊丝进行铝合金或镁合金厚板焊接。混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.1％～2.3％，CaF2：8～13％，ZnCl2：10～15％，CaCl2：10～25％，SiO2：20～25％，TiO2：20～30％，Te：10～15％。利用本方法进行焊接时，不仅能够有效增大焊接熔深，进行铝/镁合金厚板焊接，而且能够将碳纳米管送入熔池内部，在焊接凝固过程中起到细晶强化和位错强化的作用，大幅改善焊接接头力学性能。

A Method of Welding Joints of Aluminum/Magnesium Alloy Thick Plate Reinforced by Carbon Nanotubes

The invention relates to a method for strengthening the welded joint of aluminium/magnesium alloy thick plate by carbon nanotubes, which belongs to the field of welding technology in material processing. A new type of active welding wire was prepared by using pure aluminium coated carbon nanotubes and composite active flux to weld thick plates of aluminium alloy or magnesium alloy. Composition and mass percentage of mixed powder are: CNT: 0.1%-2.3%, CaF2: 8-13%, ZnCl2: 10-15%, CaCl2: 10-25%, SiO 2: 20-25%, TiO2: 20-30%, Te: 10-15%. When welding with this method, not only the welding penetration can be effectively increased and the thick plate of Al/Mg alloy can be welded, but also the carbon nanotubes can be fed into the molten pool, which plays the role of fine grain strengthening and dislocation strengthening in the solidification process and greatly improves the mechanical properties of welded joints.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法
本专利技术属于焊接
，具体涉及一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法。
技术介绍
铝合金具有密度低、机械轻度高，塑性好易于加工成形等优点，在金属使用中仅次于钢，在汽车制造、造船制造、航空航天、国防工业、以及压力容器等领域得到了广泛应用。镁合金则是目前最轻的金属结构材料，拥有“21世纪绿色工程材料”的美誉，具有密度小、比强度高等优点，在航空航天、汽车电子等领域应用广泛。铝合金和镁合金的焊接技术是目前国家重点发展的基础技术，也是各国材料工作者研究的重点课题。铝合金和镁合金在工程应用中除涉及薄板焊接，很多情况下还需进行厚板的焊接。氩弧焊是目前进行铝合金和镁合金焊接最常用的方法，但由于其能量密度较低，难以进行厚板焊接。利用氩弧活性焊接技术，在铝合金或镁合金板材表面涂覆卤化物、氧化物等活性焊剂，进行铝合金或镁合金板材活性焊接，可大幅增大熔深、避免开坡口、减少焊接道次，减少了工件热输入和热变形，是一种进行铝/镁合金厚板焊接的有效方法。目前，进行活性剂焊接时主要是在焊接前，将活性剂涂覆在待焊板材上，再进行焊接。如此则不可避免的出现了两个问题：一是因为板材表面活性剂的阻碍，使得送入的焊丝熔滴难以进入熔池，造成焊缝成形质量差；二是活性焊剂虽有效增加了熔深，但使用活性焊剂焊接的焊缝微观组织比未使用活性焊剂的明显粗大，焊接接头力学性能下降严重。碳纳米管是一种强化合金性能的新兴材料，其密度一般为1～2g/cm3，是钢的1/5，但其强度却是钢的10～100倍，其模量可达1TPa，约为钢的5倍。其弹性应变约为5％，最高可达12％，约为钢的60倍。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于其他纤维材料。与其他增强相材料相比，它还具有大的长径比，更高的强度、韧性和弹性模量，而且高温性能稳定，不易与金属基体反应形成脆性界面等一系列优点，因此被称为改善基体材料机械性能最理想的增强材料。目前有公开碳纳米管可以增强铝/镁合金复合材料的力学性能。但是尚无将碳纳米管应用于铝/镁合金厚板焊接接头来解决活性剂焊接时存在的焊接接头力学性能下降的问题。
技术实现思路
针对目前铝合金和镁合金活性焊接技术存在的技术问题，本专利技术的目的在于公开一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法。首先，本专利技术在大量实验基础上，获得最佳的复合活性焊剂各组份以及最佳配比的碳纳米管与复合活性焊剂各组份的混合粉料，在焊接时，该混合粉料不仅能提高复合活性焊剂有效增加熔深的效果，而且与直接在待焊板材表面直接涂覆活性焊剂的方法相比，能够实现焊缝的完美成形。其次，通过混合粉料制备成的新型结构的活性焊丝，能够将碳纳米管直接送入熔池内部，不仅最大程度的发挥了碳纳米管管大幅细化晶粒的效果，还使得焊接接头最终凝固形成碳纳米管增强铝/镁基复合材料，大幅提升了焊接接头的力学性能。本专利技术对于拓展铝合金和镁合金的工程应用具有重要的意义。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的第一个方面，提供一种增强铝/镁合金厚板焊接接头的混合粉料，该混合粉料由碳纳米管和复合活性焊剂组成，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.1％～2.3％，CaF2：8～13％，ZnCl2：10～15％，CaCl2：10～25％，SiO2：20～25％，TiO2：20～30％，Te：10～15％。优选地，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.5％～1.8％，CaF2：9.5～12％，ZnCl2：12.5～15％，CaCl2：12～20％，SiO2：21.5～24.5％，TiO2：22～28％，Te：11.4～14.5％。优选地，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.9％～1.1％，CaF2：10.3～11.3％，ZnCl2：13.5～14.5％，CaCl2：13.6～14.7％，SiO2：22.3～23.4％，TiO2：23.8～24.7％，Te：12.4～13.5％。本专利技术的第二个方面，提供上述混合粉料在增强铝/镁合金厚板焊接过程中的应用。本专利技术的第三个方面，提供一种增强铝/镁合金厚板焊接的焊丝。本专利技术的一个实施例中，公开了一种增强铝合金厚板焊接的接头焊丝，所述焊丝由纯铝外壳材料包裹上述混合粉料制成的新型活性焊丝。本专利技术的一个实施例中，公开了一种增强镁合金厚板焊接的接头焊丝，所述焊丝从内到外为镁合金内芯、上述混合粉料和外壳三层结构组成，其中镁合金内芯材料根据所焊材料确定，外壳材料是纯铝外壳材料。优选地，所述内芯材料根据所焊材料确定，譬如焊接AZ31镁合金板材，内芯适合采用AZ31丝材做内芯，焊接AM30镁合金板材，内芯适合采用AM30丝材做内芯。优选地，所述混合粉料占焊丝总质量的比例为11％～17％；优选地，所述混合粉料尺寸为80～100目。优选地，所述内芯的直径为0.8～1.8mm，优选为0.8mm。优选地，所述焊丝的直径为1.6～3.5mm。优选地，所述混合粉料的制备方法是利用球磨法将碳纳米管和复合活性焊剂一起进行球磨，使碳纳米管在复合活性焊剂中均匀分散。进一步优选地，所述混合粉料尺寸为80～100目。本专利技术的第四个方面，提供了上述焊丝在增强铝/镁合金厚板焊接过程中的应用。本专利技术的有益效果本专利技术的有益效果在于，针对利用活性焊剂进行铝/镁合金焊接时，虽能够有效增大熔深，但焊缝成形性差，焊接微观组织明显粗大，焊接接头力学性能下降严重的问题，而创造性的开发出一种碳纳米管增强铝/镁合金厚板焊接接头的方法。利用该方法进行铝/镁合金焊接，不仅能够起到有效增大熔深的作用，且能够将碳纳米管直接送入熔池内部，有效改善焊接组织，并使焊接接头形成碳纳米管增强铝/镁基复合材料，提高焊接接头的力学性能。其中，若进行镁合金焊接，需加入镁合金丝材作为内芯，主要用来补充镁合金焊接过程发生的烧损、蒸发及焊缝下榻等，保证焊缝的成形质量。在焊丝中加入所配置的复合活性焊接，通过调整粉料配比，可有效改善增大熔深，提高其力学性能。碳纳米管则在铝/镁合金焊接接头中起到细晶强化和位错强化的作用，大幅提升了铝/镁焊接接头的力学性能。纯铝带材用作外层包壳材料，用来保证焊丝良好的成形性及送丝能力。碳纳米管及复合活性焊剂各组份在铝/镁合金活性焊接中主要起到以下作用：(1)碳纳米管在铝/镁合金焊接接头中，会起到细晶强化和位错强化的作用，大幅提升铝/镁合金焊接接头的力学性能。首先，在焊缝凝固过程中，碳纳米管会作为初生结晶的异质晶核，使得初生相在碳纳米管上形核，促进结晶，起到提高形核率和细化晶粒的作用。其次，由于铝/镁合金基体的热膨胀系数比碳纳米管大得多，会引起热错配应力，进而在碳纳米管周围形成高密度位错区，这些高密度位错缠结在一起阻碍了滑移的进行，起到了位错强化的作用，提高了铝/镁合金焊接接头的力学性能。(2)在复合活性焊剂中，氟化物CaF2不仅可以有效增加熔深，还可与熔池发生冶金反应，有效减少氢气孔，起到增加熔深和减少气孔率的双重作用，但CaF2量不易过多，否则易引起焊缝开裂，影响焊缝成形性；(3)氯化物ZnCl2热稳定性较差，其沸点低于镁合金，在焊接过程中几乎可以完全蒸发进入电弧中，对电弧导电通道产生显著影响，有效增大了熔深；CaCl2能够在电弧高温下形成蒸发后以原子形态包围在电弧外围，最终本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强铝/镁合金厚板焊接接头的混合粉料，其特征在于，该混合粉料由碳纳米管和复合活性焊剂组成，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.1％～2.3％，CaF2：8～13％，ZnCl2：10～15％，CaCl2：10～25％，SiO2：20～25％，TiO2：20～30％，Te：10～15％。

【技术特征摘要】
1.一种增强铝/镁合金厚板焊接接头的混合粉料，其特征在于，该混合粉料由碳纳米管和复合活性焊剂组成，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.1％～2.3％，CaF2：8～13％，ZnCl2：10～15％，CaCl2：10～25％，SiO2：20～25％，TiO2：20～30％，Te：10～15％。2.根据权利要求1所述的混合粉料，其特征在于，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.5％～1.8％，CaF2：9.5～12％，ZnCl2：12.5～15％，CaCl2：12～20％，SiO2：21.5～24.5％，TiO2：22～28％，Te：11.4～14.5％。3.根据权利要求2所述的混合粉料，其特征在于，所述混合粉料的成份质量百分比为：CNT：0.9％～1.1％，CaF2：10.3～11.3％，ZnCl2：13.5～14.5％，CaCl2：13.6～14.7％，SiO2：22.3～23.4％，TiO2：23.8～24.7％，Te：12.4～13.5％。4.权利要求1～3任一所述的混合粉料在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪涛，周吉学，林涛，刘玉，李涛，赵静蕊，吴建华，刘运腾，马百常，张琳琳，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37