專利名稱：：一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬材料，特別提供了一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，適用于可熱處理強化鋁基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：陶瓷粒子不連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料由于陶瓷粒子的加入，采用傳統(tǒng)的熔化焊工藝無法進行焊接。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明為鋁基復(fù)合材料的連接提供了可能，研究表明在優(yōu)化工藝參數(shù)下可以得到高質(zhì)量的復(fù)合材料接頭。然而，即使在高溫下，復(fù)合材料的變形能力也遠低于鋁合金，并且復(fù)合材料中的陶瓷顆粒會對焊接工具產(chǎn)生一定的磨損作用(ScriptaMaterialia，vol,45，No.1(2001)p.75-80)。因此，取得無缺陷復(fù)合材料攪拌摩擦接頭的難度遠高于鋁合金。對于熱處理強化鋁合金，攪拌摩擦焊接一般是在工件強化熱處理之后進行。然而，如果在強化熱處理前的軟狀態(tài)下(比如各種熱加工狀態(tài)或退火后)進行焊接，由于材料具有更好的流變能力，可明顯降低焊接載荷，減少對焊接工具的損傷。焊接工件力學(xué)性能的提高可通過焊后強化熱處理來實現(xiàn)。然而由于攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的細晶結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在高溫固溶處理過程中會發(fā)生異常晶粒長大(JournalofMaterialsScience,vol.37，No.3(2002)p.473-480)，導(dǎo)致接頭性能降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，可用于各種可熱處理強化鋁基復(fù)合材料工件的連接。本發(fā)明提供了一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，在軟狀態(tài)下直接對鋁基復(fù)合材料進行攪拌摩擦焊接，然后對焊接后的工件進行強化熱處理。本發(fā)明提供的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，所述的軟狀態(tài)為采用粉末法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、旋渦法等對鋁基復(fù)合材料進行制備后的狀態(tài)。本發(fā)明提供的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，所述的軟狀態(tài)為對鋁基復(fù)合材料進行擠壓、軋制、鍛造等二次熱加工后的狀態(tài)。本發(fā)明提供的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，所述的軟狀態(tài)為對鋁基復(fù)合材料進行退火處理后的狀態(tài)。對采用不同方法制備的鋁基復(fù)合材料，進行強化熱處理之前的狀態(tài)由于硬度很低通常稱之為軟狀態(tài)，包括不同方法(如攪拌鑄造、旋渦法、攪拌鑄造等)制備后的制備態(tài)、各種二次熱加工(擠壓、軋制、鍛造等)后的加工態(tài)和復(fù)合材料退火后的狀態(tài)。復(fù)合材料進行強化熱處理(固溶+時效)后硬度明顯提高，一般稱之為硬狀態(tài)。表1給出不同制備和二次加工條件下復(fù)合材料軟態(tài)和硬態(tài)的硬度值的對比。表1鋁基復(fù)合材料在不同狀態(tài)下的硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>[1]A.Daoud，W.Reif，J.Mater.Proc.Technol.123(2002)313-318.S丄.Dong,J.F.Mao,D.Z.Yang,Y.X.Cui，L.T.Jiang，Mater.Sci.Engi.A327(2002)213-223.3]N.E.Bekheet,R,M.Gadelrab，MRSalah，A.N.A.E.Azim，Mater.Design.23(2002)153-159.L.T.Jiang，M.Zhao,GH.Wu，Z.Qiang，Mater.Sci.Eng.A391(2005)366-372.A.Borrego，J.Ibanez，V.Lopez,M.LieblichjGGDoneel，ScriptaMater.34(1996)471-478.王秀芳，武高輝，姜龍濤，孫東立，復(fù)合材料學(xué)報，21(1)2004,61-67.劉秋云，費維棟，姚忠凱，趙連城，材料研究學(xué)報，13(4)(1999)409-411Z.M.E.Baradie,O.A.E.Shahat，A.N.A.E.Azim,J.Mater.Process.Technol.79(1998)1-8.本發(fā)明提出了一個新的攪拌摩擦焊接工藝，在軟狀態(tài)下直接進行鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接，改善材料的流動性，減少工具的磨損，然后對焊接工件進行強化熱處理。由于復(fù)合材料中含有的大量陶瓷粒子對晶粒長大有強烈的阻礙作用，因而焊接后的復(fù)合材料工件在高溫固溶處理時不會發(fā)生異常晶粒長大，因此不會導(dǎo)致復(fù)合材料接頭性能的降低。本發(fā)明工藝可以在改善復(fù)合材料焊接性的同時，減少焊接工具磨損，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，這種新的焊接工藝方案在連接高強度鋁基復(fù)合材料方面有著廣闊的工業(yè)推廣前景。具體實施方式實施例l使用8mm厚15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料擠壓板材，在工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度50毫米/分鐘的焊接參數(shù)下進行攪拌摩擦焊接。微觀結(jié)構(gòu)檢査表明，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，并且焊接工具僅發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T4處理(500°C固溶處理1小時，水淬，室溫放置2星期)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為445MPa，屈服強度為324MPa，延伸率為4%。比較例l使用8mm厚15vol.°/。SiCp/2009Al復(fù)合材料擠壓板材，進行T4處理(500°C固溶處理1小時，水淬，室溫放置2星期)后進行攪拌摩擦焊接，工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度50毫米/分鐘。焊縫區(qū)表面粗糙，內(nèi)部存在隧道型孔洞，并且焊接工具的磨損明顯加劇。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為380MPa，屈服強度為254MPa，延伸率為2%。實施例2使用8mm厚15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料擠壓板材，在420°C進行6小時退火后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度100毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢查顯示，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，并且焊接工具僅發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(500°C固溶處理l小時，水淬，17(fC時效5小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為460MPa，屈服強度為345MPa，延伸率為4%。比較例2使用8mm厚15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料擠壓板材，進行T6處理(500°C固溶處理1小時，水淬，170°C時效5小時)后進行攪拌摩擦焊接，工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度100毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査表明，焊縫區(qū)表面粗糙，內(nèi)部存在隧道型缺陷，并且焊接工具發(fā)生明顯磨損。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為365MPa，屈服強度為242MPa，延伸率為2%。實施例3使用6mm厚20vol.%SiCp/2024Al復(fù)合材料軋制板材，在工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度80毫米/分鐘的焊接參數(shù)下進行攪拌摩擦焊接。焊縫表面比較平滑，內(nèi)部致密無缺陷，并且焊接工具僅發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T4處理(502°C固溶處理1小時，水淬，室溫放置2星期)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)不發(fā)生異常晶粒長大。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為434MPa，屈服強度為316MPa，延伸率為4%。比較例3使用6mm厚20vol.%SiCp/2024Al復(fù)合材料軋制板材，進行T4處理(502。C固溶處理l小時，水淬，室溫放置2星期)后進行攪拌摩擦焊接，工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度80毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢查表明，焊縫表面粗糙，根部可以看到未焊合的隧道型缺陷，焊接工具的磨損也明顯加重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為361MPa,屈服強度為242MPa，延伸率為2%。實施例4使用6mm厚20vol.%SiCp/2024Al復(fù)合材料軋制板材，在400°C進行8小時退火后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度120毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査顯示，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，焊接工具只發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(502。C固溶處理1小時，水淬，165°C時效10小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為465MPa，屈服強度為352MPa，延伸率為3.5%。比較例4使用6mm厚20vol.%SiCp/2024Al復(fù)合材料軋制板材，進行T6處理(502°C固溶處理1小時，水淬，165°C時效10小時)后進行攪拌摩擦焊接，工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度120毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査表明，焊縫區(qū)存在明顯的隧道型貫穿缺陷，焊接工具的磨損比較嚴重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度僅為325MPa,屈服強度為212MPa，延伸率為1.5%。實施例5使用8mm厚25vol.%SiCp/6061Al復(fù)合材料鍛造板材，在工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度80毫米/分鐘的焊接參數(shù)下進行攪拌摩擦焊接。微觀結(jié)構(gòu)檢査表明，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，并且焊接工具僅發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(520°C固溶處理1小時，水淬，170。C時效5小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為380MPa，屈服強度為285MPa，延伸率為5%。比較例5使用8mm厚25vol.%SiCp/6061Al復(fù)合材料鍛造板材，進行T6處理(520°C固溶處理1小時，水淬，170eC時效5小時)后進行攪拌摩擦焊接，工具轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度80毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査表明，焊縫區(qū)存在明顯的隧道型貫穿缺陷，焊接工具的磨損比較嚴重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度僅為310MPa，屈服強度為194MPa，延伸率為1.5%。實施例6漩渦法制備10vol.%SiCp/7075Al復(fù)合材料，取其8mm厚板材，在430°C進行10小時退火后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度100毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査顯示，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，并且焊接工具僅發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(470°C固溶處理1小時，水淬，120。C時效24小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為510MPa，屈服強度為420MPa，延伸率為3%。比較例6漩渦法制備10vol.%SiCp/7075Al復(fù)合材料，取其8mm厚板材，在T6處理(470°C固溶處理1小時，水淬，120°C時效24小時)后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度100毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢查表明，焊縫表面粗糙，根部可以看到未焊合的隧道型缺陷，焊接工具的磨損也明顯加重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度僅為375MPa，屈服強度為210MPa，延伸率為1.5%。實施例7擠壓鑄造法制備20vol.%SiCw/6061Al復(fù)合材料，取其6mm厚板材進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度150毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査顯示，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，焊接工具只發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(520°C固溶處理1小時，水淬，170。C時效4小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為460MPa，屈服強度為352MPa，延伸率為6%。比較例7擠壓鑄造法制備20vol.%SiCw/6061Al復(fù)合材料，取其6mm厚板材進行T6處理(520°C固溶處理1小時，水淬，170°C時效4小時)，然后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度150毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢查表明，焊縫區(qū)存在明顯的隧道型貫穿缺陷，焊接工具的磨損比較嚴重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度僅為355MPa，屈服強度為242MPa，延伸率為1.5%。實施例8粉末冶金法制備20vol.%TiCp/2024Al復(fù)合材料，取其6mm厚板材進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度200毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢査顯示，焊縫表面比較平滑、內(nèi)部致密無缺陷，焊接工具只發(fā)生輕微磨損。對焊接后的工件進行T6處理(500°C固溶處理1小時，水淬，170。C時效5小時)，焊縫區(qū)細晶結(jié)構(gòu)沒有明顯粗化。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度為472MPa，屈服強度為378MPa，延伸率為5%。比較例8粉末冶金法制備20vol.。/。TiCp/2024Al復(fù)合材料，取其6mm厚板材進行T6處理(500°C固溶處理1小時，水淬，170QC時效5小時)，然后進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)為工具轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分鐘、焊接速度200毫米/分鐘。微觀結(jié)構(gòu)檢查表明，焊縫區(qū)存在明顯的隧道型貫穿缺陷，焊接工具的磨損比較嚴重。復(fù)合材料接頭的橫向拉伸強度僅為340MPa，屈服強度為235MPa，延伸率為1.3%。權(quán)利要求1、一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于在軟狀態(tài)下直接對鋁基復(fù)合材料進行攪拌摩擦焊接，然后對焊接后的工件進行強化熱處理。2、如權(quán)利要求1所述的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于所述的軟狀態(tài)為采用粉末法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、旋渦法等對鋁基復(fù)合材料進行制備后的狀態(tài)。3、如權(quán)利要求1所述的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于所述的軟狀態(tài)為對鋁基復(fù)合材料進行擠壓、軋制、鍛造等二次熱加工后的狀態(tài)。4、如權(quán)利要求1所述的提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于所述的軟狀態(tài)為對鋁基復(fù)合材料進行退火處理后的狀態(tài)。全文摘要本發(fā)明提供了一種提高鋁基復(fù)合材料可焊性的攪拌摩擦焊接工藝，在軟狀態(tài)下直接進行鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接，然后對焊接后的工件進行強化熱處理，該焊接工藝可明顯改善鋁基復(fù)合材料的焊接性能，減少工具磨損，提高復(fù)合材料接頭的力學(xué)性能。文檔編號B23K20/12GK101450418SQ200710158639公開日2009年6月10日申請日期2007年11月30日優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日發(fā)明者馮艾寒,肖博律,馬宗義申請人:中國科學(xué)院金屬研究所