一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法技术

本发明专利技术为一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法。所述接头由上到下依次为铝合金、Zr中间层、镁合金；所述中间层为厚度0.05～0.25mm的Zr箔。制备方法中，采用固相焊接技术、中间层、环境降温的综合作用来制备异种轻金属接头，即利用搅拌摩擦焊技术在水冷环境中制备含Zr中间层的铝/镁异种合金接头，得到了目的异种接头。本发明专利技术降低了焊接热输入，改善了接头的组织结构，从而提高了接头的力学性能。

A High Strength Aluminum/Magnesium Dissimilar Alloy Joint with Intermediate Layer and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法
本专利技术属于异种材料连接
，具体涉及铝合金与镁合金异种接头的制备方法。
技术介绍
汽车轻量化对于减少排放、降低油耗、推动汽车工业可持续发展具有重要意义，已成为现阶段汽车技术的重要发展方向。研究表明，汽车重量每减少10％，油耗会降低6％～8％，尾气排放量下降4％，可见汽车轻量化是促进汽车实现节能减排的有效途径。优化车身结构、采用先进制造工艺、应用高强轻质材料是实现汽车轻量化的三大途径，其中通过合适工艺以铝合金和镁合金替代传统钢材可取得显著的轻量化效果。铝合金和镁合金是重要的汽车轻量化材料，可用于制造汽车活塞、轮毂、气缸盖、车身结构件和覆盖件等零部件，提高它们在多材料车身中的应用比例是目前汽车轻量化领域的研究热点，相应的两种材料的连接技术对于汽车安全至关重要。氩弧焊、电阻焊、激光焊等传统熔焊工艺会在铝/镁异种合金的连接界面处形成与母材物理化学性质差异较大的Al-Mg金属间化合物，这些硬而脆的有害相会引发接头产生应力变形，降低接头力学强度，诱发接头断裂，因此需要开发高强度铝/镁异种合金接头的制备方法。搅拌摩擦焊作为一种新型固相焊接技术，具有产热少、热变形小、无需焊料、高效环保的优点，所得接头组织均匀致密、残余应力低、力学性能高。通过在铝/镁搅拌摩擦焊接头中设计并制备适当的中间层，可有效改善接头的微观组织结构，抑制Al-Mg金属间化合物的形成，从而提高接头的力学性能。
技术实现思路
本专利技术针对当前连接技术制备的铝/镁异种合金接头中极易形成硬而脆的Al-Mg金属间化合物，导致接头力学性能下降的问题，提供了一种高强度铝/镁异种合金接头及其制备方法。该接头为搭接形式，由下往上依次为镁合金、Zr箔、铝合金。制备方法中，采用固相焊接技术、中间层、环境降温的综合作用来制备异种轻金属接头，即利用搅拌摩擦焊技术在水冷环境中制备含Zr中间层的铝/镁异种合金接头，通过恰当的工艺参数组合，得到了目的异种接头。本专利技术降低了焊接热输入，改善了接头的组织结构，从而提高了接头的力学性能。本专利技术的技术方案为：一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，所述接头由下到上依次为镁合金、Zr中间层、铝合金；所述中间层为厚度0.05～0.25mm的Zr箔。所述铝合金为5系或6系铝合金板材，所述镁合金为AZ系或AM系镁合金板材。所述含中间层的铝/镁异种合金接头的抗拉强度为10.5～15.8kN/100mm。一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，包括如下步骤：第一步：焊前预处理对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10～20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为50～75mm，Zr箔厚度为0.05～0.25mm，Zr箔长宽与搭接区尺寸一致，然后固定搭接后的焊材；优选地，搭接区宽度为55～70mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm。第二步：搅拌摩擦焊将第一步搭接后的焊材固定于焊接工作台上，焊接过程中将焊材浸没于水冷装置中进行降温，冷却水温度为10～30℃；然后利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾1～3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速为1500～2500rpm，焊速为300～600mm/min，搅拌针压入上层板材深度为3.5～5.5mm，焊接结束后将接头从水浴中取出并吹干，得到含Zr中间层的铝/镁异种合金接头。优选地，冷却水温度为15～25℃，搅拌针向焊接方向前倾2～3°，转速为1800～2200rpm，焊速为350～500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0～5.0mm。上述制备方法可得到含Zr中间层的铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头。搅拌摩擦焊作为一种先进的固态焊接工艺，可以通过摩擦热、金属混合、剧烈塑性变形的综合作用提高铝合金与镁合金之间的连接强度；通过Zr中间层的化学改性和物理隔热综合作用可有效抑制Al-Mg金属间化合物的形成；通过水冷降温，可减小焊接过程的热输入，进一步减少Al-Mg金属间化合物的数量。搅拌摩擦焊、中间层调控与水冷降温的综合利用可减少铝/镁异种接头中Al-Mg金属间化合物的形成，提高接头力学性能。本专利技术的有益效果为：(1)专利技术人通过大量试验，得到了最优的工艺参数范围，即搭接区宽度为55～70mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm，冷却水温度为15～25℃，搅拌针向焊接方向前倾2～3°，转速为1800～2200rpm，焊速为350～500mm/min，搅拌针压入上层板材深度为4.0～5.0mm。在此工艺参数范围内，可以减少接头中Al-Mg金属间化合物的形成，提高接头力学性能。(2)Zr中间层可有效改善铝/镁异种合金接头的微观组织，这主要表现在以下两个方面。a)化学改性作用：Zr-Al金属间化合物的物理性能优于Al-Mg金属间化合物，Zr与Mg之间不形成金属间化合物，Zr可通过化学改性作用抑制Al-Mg金属间化合物的形成；b)物理隔热作用：Zr元素具有良好的热稳定性，可以作为隔热层降低母材连接界面处的元素互扩散活性，从而减少Al-Mg金属间化合物的数量。(3)搅拌摩擦焊是一种先进的固相焊接技术，在所述转速和焊速的工艺参数范围内，可促进Zr中间层与母材的混合程度，使界面处形成牢固的机械互锁结构。转速过低、焊速过高时，材料塑性流动不充分，相互之间的混合程度不足；转速过高、焊速过低时，会产生过量的摩擦热，极易形成大量硬而脆的Al-Mg金属间化合物，成为微裂纹源，对接头强度不利。根据本专利技术工艺，可以得到良好的接头力学强度，接头抗拉强度达到10.5～15.8kN/100mm，与不含Zr中间层的铝/镁异种合金接头相比，抗拉强度提高了60～90％。附图说明图1：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的截面形貌对比；其中，图1a为铝/镁异种合金接头的截面形貌；图1b为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头的截面形貌；图2：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的微观形貌对比；其中，图2a为铝/镁异种合金接头搅拌区的微观形貌；图2b为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区的微观形貌；图2c为铝/镁异种合金接头搅拌区Z1区域的放大形貌；图2d为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区Z3区域的放大形貌；图2e为铝/镁异种合金接头搅拌区Z2区域的放大形貌；图2f为添加Zr中间层后铝/镁异种合金接头搅拌区Z4区域的放大形貌；图3：实施例1中Zr中间层添加前后铝/镁异种合金接头的力学性能对比。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术中一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，包括如下步骤：第一步：焊前预处理对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10～20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述接头由下到上依次为镁合金、Zr中间层、铝合金；所述中间层为厚度0.05~0.25mm的Zr箔。

【技术特征摘要】
1.一种含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述接头由下到上依次为镁合金、Zr中间层、铝合金；所述中间层为厚度0.05~0.25mm的Zr箔。2.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述铝合金为5系或6系铝合金板材，所述镁合金为AZ系或AM系镁合金板材。3.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头，其特征为所述含中间层的铝/镁异种合金接头抗拉强度为10.5~15.8kN/100mm。4.如权利要求1所述的含中间层的高强度铝/镁异种合金接头的制备方法，其特征为包括如下步骤：第一步：焊前预处理对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，然后依次在丙酮和酒精中超声清洗10~20min，冷风吹干；将待焊板材进行搭接，由下而上依次为镁合金、Zr箔和铝合金，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为300mm×150mm×3mm，搭接区宽度为50~75mm，Zr箔厚度为0.05~0.25mm，Zr箔...

【专利技术属性】
技术研发人员：马英磊，郑洋，张建军，陈勇，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12