一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，首先對板材表面進(jìn)行清洗和拋光，再進(jìn)行除蠟、除油、浸鋅的處理；再稱取亞鐵氰化鉀溶液80～100g/L，硫氰酸鉀溶液120～140g/L，硫代硫酸鈉溶液10～20g/L配置鍍銅液，再對連接面預(yù)鍍銅、電鍍銅、進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接；將焊后對焊縫部分切取試樣，采用金相顯微鏡或者掃描電鏡觀察橫截面和水平截面的材料流動情況。本發(fā)明通過連接面的鍍銅層與被焊工件之間達(dá)到原子結(jié)合，利用其不同的顏色，觀察焊縫連接面材料運(yùn)動特征，分析連接面形成機(jī)理，廣泛用于對鋁合金、鎂合金的攪拌摩擦焊接頭的研究。
【專利說明】一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明屬于攪拌摩擦焊【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說是采用與焊接母材達(dá)到原子間結(jié)合的異種材料標(biāo)記方法來觀察攪拌摩擦焊焊接接頭形成機(jī)理的可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊由英國焊接研究所于1991年發(fā)明，是一種新型的固相連接方法。該項(xiàng)技術(shù)主要運(yùn)用于鋁合金，鎂合金，鈦合金等運(yùn)用傳統(tǒng)熔化焊方法難以連接的輕質(zhì)金屬。由于同傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有焊接溫度低，無飛濺，不需要填充材料等特點(diǎn)，因此由這種焊接方法得到的焊縫接頭具有焊接變形小,焊接清理少,力學(xué)性能均勻等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天，高速軌道列車等工業(yè)生產(chǎn)中。由于攪拌摩擦焊接頭是依靠塑性狀態(tài)下材料的交互流動所形成的，因此對于連接面的材料流動特征的研究在理解接頭形成機(jī)理，焊接參數(shù)的優(yōu)化等方面具有重要意義。
[0003]目前已有的材料流動的研究方法主要是在被焊母材中通過機(jī)械加工得到分布方向不同的凹槽，在其中嵌入鋼球，銅箔，鐵粉等材料作為示蹤材料。由于示蹤材料不會與母材發(fā)生反應(yīng)，并且與母材在顏色，形態(tài)等外觀特征有明顯的區(qū)別，因此可以很清楚的觀察到它們的變形和分布，并由此推斷母材金屬的流動。也有通過添加彩泥和利用鋁合金表面的氧化物，通過其與母材間差異較大的外貌特征來作為示蹤材料。
[0004]然而，這種示蹤方法也具有一些局限性，使得它們是否能夠反映母材的真實(shí)流動形態(tài)還存有爭議。
[0005]首先，這些材料并不能反映連接面的形成機(jī)理，而只能反映一個整體的流動趨勢。標(biāo)記材料都是通過在母材上加工溝槽或間隙來實(shí)現(xiàn)填充的。無論這些溝槽或者間隙是位于焊縫中心，平行于焊接方向還是垂直于焊接方向，示蹤材料的流動并不能反映溝槽兩側(cè)材料的流動。比如在焊縫中心線放置一塊銅箔，銅箔的流動只能反映焊縫中心材料。而焊縫的形成是依靠兩側(cè)母材的交互流動所形成的，在焊接之前，焊縫中心線上實(shí)際并不存在任何材料。
[0006]其次，無論是銅箔，鋼球或是鐵粉，與母材的連接方式都屬于間隙結(jié)合。無論是用鋁粉還是鋁片把之間的間隙填充上，兩者之間還是存在很大的距離。這在焊接過程中相當(dāng)于形成了另一條附加焊縫，而觀察到的示蹤材料實(shí)際上是在自身組成的焊縫中流動的。而流動到母材焊縫中的部分示蹤材料，極有可能是其附加焊縫形成的延伸結(jié)果，并不是其真正參與到母材的焊縫形成過程中。
[0007]再次，由于機(jī)械加工精度的限制，導(dǎo)致母材中所加工出的溝槽都較寬。填充的示蹤材料也具有一定的厚度和體積，相當(dāng)于在母材中嵌入了一個阻礙物。在攪拌摩擦焊的材料流動過程中，這些示蹤材料即有可能是在母材的帶動下運(yùn)動，也會是對母材的流動產(chǎn)生一定的阻礙作用。這也是為什么在觀察焊縫組織時，沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)方向上，一些銅箔會在一些位置大量聚集，而在另一些位置則沒有任何銅箔。這種現(xiàn)象說明焊接過程中，銅箔并未很好的被母材的流動所帶動，而是成團(tuán)成塊的停留在一處或是移動的相當(dāng)緩慢。[0008]最后，彩泥和金屬氧化物由于在機(jī)械性能上與金屬母材存在較大差異，因此在塑性金屬中的流動形態(tài)也與母材不大相同，在反映母材流動特征的準(zhǔn)確度上有待研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明采用在攪拌摩擦焊工件對接面上鍍銅，使其與母材金屬達(dá)到原子間結(jié)合，并且利用其不同的顏色，以達(dá)到觀察焊縫連接面材料運(yùn)動特征，分析連接面形成機(jī)理的目的。可以廣泛運(yùn)用于不同牌號鋁合金，鎂合金的攪拌摩擦焊接頭的研究。
[0010]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0011]一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，具有如下步驟:
[0012](I)下料
[0013]設(shè)計(jì)焊接接頭形式，根據(jù)焊接構(gòu)件的尺寸，運(yùn)用線切割加工方式對板材進(jìn)行切割；然后對板材表面的油污進(jìn)行清洗，重點(diǎn)對連接面進(jìn)行清洗，并對連接面拋光處理；
[0014](2)鍍銅前處理
[0015]a.除蠟、除油:采用除蠟水或者除蠟液，對連接面進(jìn)行手工擦洗；其表面形成一層垢膜和氧化膜層，再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗，之后再對生成的黑色膜層置于質(zhì)量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為I?2分鐘；
[0016]b.浸鋅:用純水配置浸鋅液1L,浸鋅液含有氫氧化鈉溶液,濃度為500?550g/L，硫酸鋅溶液，濃度是80?100g/L，不足IL時加純水至IL ;對連接面第一次浸鋅溫度為25?35°C，時間為I?2分鐘；第二次浸鋅前應(yīng)采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間少于第一次浸鋅時間30?40秒；
[0017](3)電鍍銅
[0018]a.配置鍍銅液:通風(fēng)條件下稱取亞鐵氰化鉀溶液80?100g/L，硫氰酸鉀溶液120?140g/L，硫代硫酸鈉溶液10?20g/L，有不溶性雜質(zhì)時需要過濾；
[0019]b.預(yù)鍍銅:將步驟(2) b中經(jīng)過浸鋅處理的板材應(yīng)進(jìn)行預(yù)鍍銅，鍍銅層厚度在I ?2 μ m ;
[0020]c.鍍銅:將需要鍍銅的母材板作為陰極，根據(jù)步驟(3)a配置的鍍液濃度，選取鍍銅時間為20?40分鐘，銅層厚度為I?5μπι;
[0021]d.焊接和觀察:設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊接頭形式，選取焊接速度為50?130mm/min,攪拌頭轉(zhuǎn)速為500?1500rpm進(jìn)行焊接；焊后對焊縫部分切取試樣，并對焊縫橫截面進(jìn)行磨金相和拋光及金相腐蝕處理，采用金相顯微鏡或者掃描電鏡觀察橫截面和水平截面的材料流動情況。
[0022]所述步驟(I)中的焊接接頭形式為對接焊縫、搭接焊縫、T接焊縫和角接焊縫的形式。
[0023]所述步驟(3)中電鍍銅工藝可以運(yùn)用在攪拌摩擦焊的輕質(zhì)合金如鋁合金和鎂合金。
[0024]本發(fā)明的有益效果如下:
[0025]1.銅與焊接母材屬于原子間結(jié)合，因此可以真實(shí)反映焊縫連接面不同側(cè)的金屬是如何流動的。由于焊縫的形成就是原本分離的板材通過兩側(cè)材料的交互運(yùn)動所形成，因此該項(xiàng)發(fā)明在反映不同邊材料是如何完成這種交互流動上具有很高的準(zhǔn)確度。[0026]2.由于這種原子間結(jié)合，銅與母材之間不會存在較大的間隙，即不會產(chǎn)生附加焊縫。因此運(yùn)動至焊縫或焊縫另一側(cè)(與鍍銅側(cè)相比)的銅，一定是攪拌頭旋轉(zhuǎn)攪動所致，這部分銅可以確定參與了焊縫的形成過程。
[0027]3.鍍銅工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，加之焊縫結(jié)合面面積一般較小，因此在結(jié)合面表面鍍銅層的厚度至少可達(dá)到4-5 μ m (保證結(jié)合強(qiáng)度的前提下)。這一厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)記鑲嵌銅箔的厚度，并且也足以觀察到其流動性。較薄的鍍銅層，使得其對焊接母材的阻礙作用大大減小，在攪拌針的攪動作用下，很容易被打碎，并隨著母材的流動而流動。其示蹤效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的標(biāo)記方法。
[0028]4.傳統(tǒng)的鑲嵌方法需要機(jī)械加工溝槽，以線切割為例，在鋁合金表面加工一個寬度0.2mm，長度200mm，深度4mm的溝槽需要30分鐘左右的時間。之后的清理油污工作，由于槽極窄，即使花費(fèi)很久的時間清洗，也還會存在少許油污。而采用電鍍銅方法，前期清理工作由于是機(jī)械和化學(xué)方式的結(jié)合，因此清理工作很容易，可以很好的控制進(jìn)入焊縫的雜
質(zhì)數(shù)量。
[0029]5.由于銅與鋁之間較為相似的延展性，比運(yùn)用鋼球，鐵粉，彩泥或是氧化物更能反應(yīng)金屬鋁的流動特征。
[0030]6.該方法不僅適合于對接焊縫，也適合于搭接及T接和角接焊縫，直接在連接界面上加工鍍層，以觀察連接界面的流動連接機(jī)制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是鋁合金對接焊縫連接面材料流動測定的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是鋁合金T接焊縫連接面材料流動測定的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是鋁合金搭接焊縫連接面材料流動測定的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0035]實(shí)例例I——招合金對接焊縫連接面材料流動測定
[0036]如圖1所示，需要對接的兩塊鋁合金板尺寸為100X75X4mm，材料選用的是2024-T4鋁合金薄板。首先對板材表面的油污進(jìn)行清洗，重點(diǎn)對連接面進(jìn)行清洗，并對連接面拋光處理；采用專業(yè)生產(chǎn)廠家的除蠟水，對連接面進(jìn)行手工擦洗；其表面形成一層垢膜和氧化膜層，再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗，之后再對生成的黑色膜層置于質(zhì)量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為lmin。再用純水配置浸鋅液，浸鋅液含有氫氧化鈉溶液濃度為500g/L，硫酸鋅溶液濃度為80g/L ;對連接面第一次浸鋅溫度為25°C，時間為1.5分鐘；第二次浸鋅前應(yīng)采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間為I分鐘。
[0037]通風(fēng)條件下取濃度為80g/L的亞鐵氰化鉀溶液，濃度為120g/L的硫氰酸鉀溶液，濃度為10g/L的硫代硫酸鈉溶液配置鍍銅液，并對不溶性雜質(zhì)進(jìn)行過濾；對經(jīng)過浸鋅處理的板材應(yīng)進(jìn)行預(yù)鍍銅，厚度在I μ m ;再將需要鍍銅的母材板作為陰極，在左側(cè)板的對接面上(如陰影部分)進(jìn)行電鍍銅處理，利用業(yè)已成熟的電鍍銅工藝對攪拌摩擦焊連接面制造一層銅，使該層銅與被焊工件之間達(dá)到原子結(jié)合，鍍銅時間為30min，鍍銅層厚度為5μπι。[0038]以鍍銅面作為對接面，與另一塊未經(jīng)鍍銅處理的鋁合金板做成如圖1所示的裝夾，進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接，焊接參數(shù)如下:軸肩直徑為12mm，攪拌針為圓錐形，長度3.5mm,頂端直徑為5mm,底端直徑為3.4mm。焊接前進(jìn)速度為50?80mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500?IOOOrpm，方向逆時針，焊接前設(shè)定0.2mm下壓量以保證焊縫成型。焊后選取焊縫長度中段切取待觀測試樣，對焊縫橫截面進(jìn)行磨金相和拋光，金相腐蝕處理，在金相顯微鏡下觀測鍍銅層的變化狀態(tài)。實(shí)際上相當(dāng)于觀測后退側(cè)材料是如何運(yùn)動至前進(jìn)側(cè)，形成焊接接頭的。是利用銅的變形分別觀測攪拌頭兩側(cè)連接面材料的流動，推斷連接機(jī)理；銅與鋁合金、鎂合金具有相似的金屬塑性，可以減少和杜絕非金屬物質(zhì)對于金屬材料流動的影響。
[0039]實(shí)例例2——招合金T接焊縫連接面材料流動測定
[0040]如圖2所示，需要進(jìn)行T接的兩塊鋁合金板材尺寸:上壁板120 X 150 X 4mm，下筋板120X 100X4mm，材料選用7075鋁合金薄板。在上側(cè)壁板的連接面處(如陰影部分)進(jìn)行鍍銅處理，鍍銅的面積略大于與下筋板重疊的面積，位于焊縫中心線上，其寬度為6mm，鍍銅層厚度為5μπι。具體步驟為:首先對板材表面的油污進(jìn)行清洗，重點(diǎn)清洗連接面，并對連接面拋光處理；采用專業(yè)生產(chǎn)廠家的除蠟液，對連接面進(jìn)行擦洗；再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗以清除其表面形成的垢膜和氧化膜層，之后再對生成的黑色膜層置于質(zhì)量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為1.5min。再配置浸鋅液，浸鋅液含有氫氧化鈉溶液濃度為520g/L，硫酸鋅溶液濃度為85g/L，不足IL時加入純水至IL ;對連接面第一次浸鋅溫度為25°C，時間為2分鐘；第二次浸鋅前應(yīng)采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間為1.5分鐘。
[0041]通風(fēng)條件下取濃度為85g/L的亞鐵氰化鉀溶液，濃度為125g/L的硫氰酸鉀溶液，濃度為10g/L的硫代硫酸鈉溶液配置鍍銅液，并對不溶性雜質(zhì)進(jìn)行過濾；對經(jīng)過浸鋅處理的板材應(yīng)進(jìn)行預(yù)鍍銅，厚度在Iym;將需要鍍銅的母材板(即上側(cè)壁板)作為陰極，鍍銅時間為30min，攪拌摩擦焊焊接參數(shù)如下:軸肩直徑為12mm，攪拌針為帶螺紋圓錐形，長度4mm，頂端外徑5.5mm,底端外徑2mm,螺紋深度0.5mm。焊接前進(jìn)速度為50?100mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500?1200rpm,方向逆時針,設(shè)定0.2mm下壓量保證焊縫成型。焊后切取合適尺寸的T接接頭試樣，對焊縫橫截面進(jìn)行磨金相，拋光和金相腐蝕處理，在金相顯微鏡下觀測鍍銅層的運(yùn)動形態(tài)。該實(shí)例中T接接頭屬于傳統(tǒng)的未穿透形式接頭，其形成主要是依靠材料的上下流動。上壁板的鍍銅層流動，反映了壁板材料如何流入筋板材料，形成焊接接頭的。
[0042]實(shí)例例3——招合金搭接焊縫連接面材料流動測定
[0043]如圖3所示，需要搭接的兩塊板的板材尺寸相同，都為200 X 150 X 5mm，材料選用2024-T3鋁合金薄板。在下側(cè)板的搭接面上(如陰影部分)進(jìn)行鍍銅處理，搭接面寬度為50mm，其中心線即為焊縫中心線，鍍銅層厚度為4μπι。具體步驟為:首先對板材表面的油污進(jìn)行清洗，重點(diǎn)清洗連接面，并對連接面拋光處理；采用專業(yè)生產(chǎn)廠家的除蠟液，對搭接面進(jìn)行擦洗；再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗以清除其表面形成的垢膜和氧化膜層，之后再對生成的黑色膜層置于質(zhì)量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為2min。再配置浸鋅液,浸鋅液含有氫氧化鈉溶液濃度為550g/L,硫酸鋅溶液濃度為85g/L，不足IL時加入純水至IL ;對連接面第一次浸鋅溫度為25°C，時間為2分鐘；第二次浸鋅前應(yīng)采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間為1.5分鐘。[0044]通風(fēng)條件下取濃度為85g/L的亞鐵氰化鉀溶液，濃度為130g/L的硫氰酸鉀溶液，濃度為15g/L的硫代硫酸鈉溶液配置鍍銅液，并對不溶性雜質(zhì)進(jìn)行過濾；對經(jīng)過浸鋅處理的板材應(yīng)進(jìn)行預(yù)鍍銅，厚度在Iym;將需要鍍銅的母材板(即上側(cè)壁板)作為陰極，鍍銅時間為35min，攪拌摩擦焊焊接參數(shù)如下:軸肩直徑15mm，攪拌針為帶螺紋圓錐形，長度6mm，頂端外徑6mm,底端外徑4.6mm,螺紋深度1mm。焊接前進(jìn)速度為60?120mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為500?1200rpm，方向逆時針，并設(shè)定0.2mm下壓量保證焊縫成型。焊后切取合適尺寸的搭接接頭試樣，對焊縫橫截面進(jìn)行磨金相，拋光和金相腐蝕處理，在金相顯微鏡下觀測鍍銅層的運(yùn)動形態(tài)。該實(shí)例中研究的是搭接焊縫中下板的材料是如何向上運(yùn)動，與上板交互作用形成焊縫的。
【權(quán)利要求】
1.一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，具有如下步驟: (1)下料 設(shè)計(jì)焊接接頭形式，根據(jù)焊接構(gòu)件的尺寸，運(yùn)用線切割加工方式對板材進(jìn)行切割；然后對板材表面的油污進(jìn)行清洗，重點(diǎn)對連接面進(jìn)行清洗，并對連接面拋光處理； (2)鍍銅前處理 a.除蠟、除油:采用除蠟水或者除蠟液，對連接面進(jìn)行手工擦洗；其表面形成一層垢膜和氧化膜層，再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗，之后再對生成的黑色膜層置于質(zhì)量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為I?2分鐘； b.浸鋅:用純水配置浸鋅液1L，浸鋅液含有氫氧化鈉溶液，濃度為500?550g/L，硫酸鋅溶液，濃度是80?100g/L，不足IL時加純水至IL ;對連接面第一次浸鋅溫度為25?35°C，時間為I?2分鐘；第二次浸鋅前應(yīng)采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間少于第一次浸鋅時間30?40秒； (3)電鍍銅 a.配置鍍銅液:通風(fēng)條件下稱取亞鐵氰化鉀溶液80?100g/L,硫氰酸鉀溶液120?140g/L，硫代硫酸鈉溶液10?20g/L，有不溶性雜質(zhì)時需要過濾； b.預(yù)鍍銅:將步驟(2) b中經(jīng)過浸鋅處理的板材應(yīng)進(jìn)行預(yù)鍍銅，鍍銅層厚度在I?2μ m ； c.鍍銅:將需要鍍銅的母材板作為陰極，根據(jù)步驟(3)a配置的鍍液濃度，選取鍍銅時間為20?40分鐘，銅層厚度為I?5 μ m ; d.焊接和觀察:設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊接頭形式，選取焊接速度為50?130mm/min,攪拌頭轉(zhuǎn)速為500?1500rpm進(jìn)行焊接；焊后對焊縫部分切取試樣，并對焊縫橫截面進(jìn)行磨金相和拋光及金相腐蝕處理，采用金相顯微鏡或者掃描電鏡觀察橫截面和水平截面的材料流動情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，其特征在于，所述步驟(I)中的焊接接頭形式為對接焊縫、搭接焊縫、T接焊縫和角接焊縫的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，其特征在于，所述步驟(3)中電鍍銅工藝可以運(yùn)用在攪拌摩擦焊的輕質(zhì)合金如鋁合金和鎂合金。
【文檔編號】B23K31/12GK103521940SQ201310466134
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】胥妍, 楊新岐 申請人:天津大學(xué)