非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法

2023-07-16 21:54:21

專利名稱：非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法
技術領域：
本發明涉及塊狀非晶合金與Al等異材連接技術，具體為一種通過攪拌摩擦焊的 方法在非晶合金過冷液相區進行連接加工，使塊狀非晶合金與異質金屬材料Al等攪拌連 接的方法。
背景技術：
非晶合金作為一種新型工程材料，在使用過程中有時需要與其他金屬進行連接， 非晶合金的連接性問題就受到了關注。目前，國內外對於非晶合金連接性研究已經取得了 一些進展。非晶合金連接方法主要包括爆炸焊、儲能脈衝連接、電子束焊、雷射焊、摩擦焊 等五種。在這些連接方法中前四種均為熔化連接，這種方法容易導致焊後晶化、缺陷和焊縫 脆化；摩擦連接則被認為是一個固態連接過程，由於接頭處合金不熔化，從而避免了晶化和 連接缺陷，能得到很高的力學性能，摩擦焊是連接非晶合金較為理想的一種連接方法。摩擦焊是利用工件接觸端面相對旋轉運動中相互摩擦所產生的熱，使端部達到 熱塑性狀態，然後迅速頂鍛，完成連接的一種壓焊方法。Kawamura等最早採用摩擦連接的 方法實現了 Pd4QNi4(1P2Q、Pd40Cu30Ni10P20, Zr55Al10Ni5Cu30 和 ^41Ti14Cu12NiltlBe23 等非晶合金的 連接。連接接頭的強度與母材相當，異種非晶合金之間進行連接時，其玻璃化溫度Tg相 差低於50K，可以實現連接；但當兩種不同的非晶合金間的玻璃化溫度Tg相差大於50K以 上時，則由於焊縫兩端非晶合金的變形程度不同而不能連接。同時，Kawamura研究組還 成功地完成了 ^41Ti14Cu12NitlBe23非晶合金對2017鋁合金和5038鋁合金的連接。而在 Zr41Ti14Cu12Ni10Be23與低碳鋼、Ti合金、7075鋁合金連接中，非晶合金單方面變形，從而導致 了連接的失敗。Kawamura等利用電子束連接方法成功地對^41Ti14Cu12NiltlBe23自身， Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與純& 金屬，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與 &合金(Zircaloy-4)的連接。但 對 ^41Ti14Cu12NiltlBe23 與低碳鋼，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 與 Ti 合金(Ti_6AL_4V)的連接失敗，另 外對^55AlltlNi5Cu3tl的電子束焊失敗。非晶合金^41Ti14Cu12NiltlBe23和晶態金屬&、&合金 的連接獲得了良好的連接接頭。接頭處靠近塊體非晶合金(BMG) —側的區域仍保持了玻璃 態組織，而靠近ττ金屬的區域沒有脆性相的形成。對接頭作拉伸實驗，斷裂發生在ττ金屬 一側。抗拉強度與原純rLx金屬同為400MPa。李波等採用雷射連接技術連接塊體非晶合金&45Cu48A17。結果表明在連接熱循環 作用下，熔化區和熱影響區的晶粒形貌和組織具有很大的差異，連接速率為2m/min時，熔 化區主要生成τ 5 (Zr38Cu36Al26)、ZrCu和一未知相，熱影響區主要生成相，連接速率為 4m/min時，熔化區保持了非晶特性，熱影響區部分晶化，其主要生成相為相，熱影響區 的晶化行為與非晶合金熱處理過程的晶化行為有一定的區別，其主要原因是雷射連接時的 高速加熱及冷卻過程對各晶化相生長速率影響程度不同。儲能脈衝連接熱量輸入集中，連接持續時間短。Kawamura等成功地連接了 ^55AlltlNi5Cu3tl 非晶態合金。
有關攪拌摩擦焊尚未見報導。

發明內容
本發明的目的在於提供一種非晶合金在過冷液相區與異質金屬材料Al等晶體材料進行焊接的方法，焊縫為非晶合金與Al等的混合物，焊縫強度不低於母材。本發明的技術方案一種非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，把攪拌摩擦焊接原理與非晶合 金過冷液相區具有粘滯流變的特性相結合，利用摩擦熱使非晶焊件溫度升至Tg溫度以上的 過冷液相區，非晶合金進入粘滯流變狀態，實現非晶合金與異質晶體金屬材料之間的連接。1、攪拌頭選擇對非晶合金與純Al等晶體材料連接，考慮到這兩種金屬在化學成 分、力學性能方面的巨大差異，即室溫下非晶合金的硬度很高，而純Al等晶體材料的硬度 較低。因此，在攪拌頭的設計中採用大的軸肩尺寸及圓柱形的攪拌焊針。選用兩種規格攪 拌焊針直徑為Φ 3. 0mm，長度為1. 5mm，軸肩直徑分別為Φ 12. Omm和Φ8. 0mm。攪拌頭一般由耐高溫、抗磨損的材料製成，一般多採用中碳鋼、高碳鋼或工具鋼 等。本發明由於非晶合金的強度硬度較高，故攪拌頭材料採用具有良好耐磨性和高紅硬性 的M2高速鋼，並經嚴格的常規熱處理。2、攪拌頭旋轉速度在連接非晶合金時應採用較高的攪拌頭速度，攪拌連接過程 中攪拌頭的旋轉速度控制在1000 2000rpm。當攪拌頭旋轉速度提高到1445rpm時，焊縫 表面沒有犁溝，容易獲得成形良好的焊縫。3、連接速度在攪拌頭的旋轉速度一定時，連接速度(ν)對連接焊縫成形的影響 很大。採用稍低的連接速度，容易獲得表面光潔、平整的焊縫。但若連接速度過低，則在焊縫 背面易因Al等晶體材料熔化而出現孔洞(焊透)缺陷。若連接速度過快，焊縫表面的粗糙 度差，容易在上表面出現犁溝。總有一個適當的連接速度範圍與其相對應，降低旋轉速度， 連接速度則相應的降低。只有攪拌焊頭的旋轉速度與連接速度合理匹配時，才能得到外觀 成形好、內部無缺陷的優質焊縫，連接速度控制在10 30mm/min。4、當其它工藝參數不變而改變連接壓力時，也會影響焊縫的成形。連接壓力較小 時，軸肩壓不住焊縫，容易在材料表面形成犁溝。但是，若連接壓力過大，則材料表面的熱塑 性金屬容易聚集在迴轉側，從而在上表面形成較大飛邊，並導致攪拌焊針穿透背面，造成焊 透。攪拌摩擦連接工藝過程中，只有通過施加足夠的連接壓力才能在攪拌焊頭和焊件之間 獲得摩擦力進而獲得足夠的摩擦熱能，同時，連接壓力起到限制塑性流體外溢，保證焊縫成 形的作用。因此，連接壓力的大小對連接質量有重要的影響，連接壓力控制在15 35KN。本發明中，採用攪拌焊針為圓柱形的攪拌頭，當工藝參數為旋轉速度1445rpm，連 接速度14. 6,22. lmm/min，施加壓力20kN時，能成功實現塊體非晶合金與純Al等晶體材料 的連接，焊縫區上、下表面平整光滑，沒有飛邊、焊透等缺陷出現；軸肩直徑越大，焊縫表面 成型越好。本發明中，異質金屬材料除了純Al之外，還可以為Al合金、Cu、Cu合金等。本發明的特點1、採用本發明後，接頭焊縫區的材料塑性流動狀態明顯，前進側的純Al等晶體材 料呈螺旋狀進入非晶合金一側，材料混合較為均勻，且非晶合金沒有發生晶化，在連接過程中沒有其它晶相生成，非晶合金仍保持為非晶態。當改變連接壓力、攪拌頭、連接速度時，焊 縫區材料的玻璃轉變溫度、晶化開始溫度變化不大，說明參數條件不影響非晶合金的結構， 仍為非晶態。2、本發明中，攪拌頭的旋轉速度、連接速度和連接壓力對焊縫成形有重要影響。攪 拌頭的轉速較低時，攪拌摩擦過程類似於金屬的銑削加工，焊縫表面形成犁溝，得不到成形 好的焊縫。過低的連接速度、連接壓力和過高的連接速度、連接壓力對焊縫的成形都不好。3、採用本發明後，非晶合金和Al等晶體材料經攪拌摩擦焊形成的焊縫是非晶合 金和Al等晶體材料的機械混合物。4、採用本發明後，焊縫的強度和硬度高於Al等晶體材料母材。5、採用本發明後，非晶合金與異材晶體Al等晶體材料的焊縫平整，無裂縫，無犁 溝，無飛邊，外觀效果好，焊縫組織結構為非晶合金與晶體Al等晶體材料的混合物，非晶合 金與Al等晶體材料攪拌摩擦焊焊縫強度與硬度不低於Al等晶體材料母材。


圖1為攪拌摩擦焊過程中工件裝夾位置和攪拌頭旋轉方向示意簡圖；圖中，1塊體 非晶合金；2異質金屬材料；3攪拌頭。圖2為非晶合金與Al攪拌摩擦焊焊縫的外觀形貌；其中，a)上表面；b)下表面。圖3為攪拌摩擦焊焊縫上表面的掃描電鏡(SEM)圖像。圖4為焊縫區的透射電子顯微照片；其中，a明場；b暗場。圖5為焊縫區的透射電子顯微及選區衍射照片。圖6為Φ 12mm軸肩攪拌頭試樣焊縫區X射線衍射譜。圖7為不同連接壓力下焊縫樣品的DSC曲線。圖8為連接試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌。圖9為非晶合金與工業純Al焊縫的應力一應變曲線。圖10為非晶合金與工業純Al焊縫區域顯微硬度分布曲線。圖11為攪拌頭的結構示意圖；圖中，4攪拌焊針；5軸肩。圖12為非晶合金與Cu攪拌摩擦焊焊縫的外觀形貌；其中，a)上表面；b)下表面。
具體實施例方式以下通過實施例詳述本發明。實施例1選擇的非晶合金為&-Al-Ni_Cu，具體成分為^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，異質 材料為工業純Al (晶體材料)。在焊接鋁與金屬玻璃過程中，試件的裝夾位置和攪拌頭的旋轉方向對於焊接成功 與否極為重要。如圖1所示，異質金屬材料(Al) 2應位於攪拌頭3的前進側，塊體非晶合金 (金屬玻璃)1位於焊接的迴轉側，這樣才能容易獲得成形良好的焊縫。這是因為Al的傳 熱與金屬玻璃相比要快許多，它比金屬玻璃先達到塑性流變狀態，而在攪拌頭的後側面由 於長時間的摩擦金屬玻璃溫度已處於過冷液相區內塑性流變要高於Al，旋轉方向使流變塑 性好的向相對不好的方向攪動填充焊縫，這樣使焊縫充填較好。攪拌頭為攪拌焊針4與軸肩5連接構成的一體結構，如圖11所示。摩擦連接的工藝技術條件為採用攪拌焊針直徑為 Φ3. Omm，長度為1.5mm，軸肩Φ 12mm的攪拌頭，在轉速為1445rpm、20KN壓力、連接速度為 22. lmm/min的工藝條件下，實現了非晶合金與Al的連接。從宏觀上看連接接頭成形好，焊 縫上、下表面平整，無裂縫或犁溝，無飛邊，可觀察到典型的攪拌摩擦連接所形成的半圓弧 狀紋線。在連接過程中，攪拌焊針先與非晶合金摩擦生熱，溫升使非晶合金逐漸軟化，攪拌焊針插入非晶合金與Al接縫處。然後，攪拌頭軸肩與非晶合金或Al摩擦，進一步使焊縫周 圍的非晶合金軟化，塑性變形抗力變小。攪拌焊針的高速旋轉帶動其周圍的非晶合金和Al 流動起來，塑化金屬向後流動、填充，隨著攪拌頭向前移動，從而形成焊縫，成功連接(見圖 2、3、4、5)。由圖2-圖5可以看出，焊接接頭成形好，焊縫上、下表面平整，無裂縫或犁溝，無 飛邊，可觀察到典型的攪拌摩擦焊接所形成的半圓弧狀紋線。非晶合金經攪拌產生的流動， 形成了非晶合金的流線，該流線進入了焊縫區，與鋁產生了機械混合。在Al基體上彌散分 布著許多細小的非晶合金，顆粒與基體的界限較清晰分明，沒有觀察到微孔洞的存在，說明 樣品是很緻密的。非晶合金也以條狀形態鑲嵌於Al中。對圖5中區域進行選區電子衍射， 得到了非晶典型的漫散射所形成的「暈」，並在暈的周圍出現了一些晶態Al的衍射斑點，充 分證明了非晶與鋁產生了機械混合。實施例2連接選材同實施例1，不同之處在於連接速度選為14. 6mm/min,其它連接工藝條 件同實施例1。連接效果同實施例1，焊縫平整，無裂縫，無犁溝，無飛邊，外觀效果好，焊縫 無缺陷，焊縫結構為非晶與純Al的混合物(見圖6、7)。由圖6-圖7可以看出，試樣的衍射 譜為非晶合金的漫散射峰上疊加一些衍射峰，這些峰位完全對應純鋁的峰值，沒有其它晶 相的衍射峰出現，這說明在非晶合金與純鋁的攪拌摩擦焊接過程中，非晶合金仍保持為非 晶狀態，在焊接過程中沒有出現非晶合金的晶化現象，也沒出現因非晶合金與鋁的強烈塑 性變形而形成的新相。與原始態的非晶合金相比，焊縫的DSC曲線也具有典型的玻璃轉變 和晶化峰。在焊接壓力為17. 5kN、20kN和25kN所得試樣的DSC曲線確定的玻璃轉變溫度 分別為 408. 5°C、410. 0°C >408. 7°C，晶化開始溫度分別為 490. 0°C >484. 1°C >491. 8°C，與鑄 態非晶合金的玻璃化轉變溫度、晶化開始溫度相差不大，說明焊接前後試樣的非晶結構基 本沒有變化，也沒有形成其它新相。因此，採用不同焊接壓力進行焊接時不影響非晶合金的 非晶態結構。實施例3連接選材同實施例1，不同之處在於連接壓力選為25KN，其它工藝條件同實施例 1。連接效果同實施例1，焊縫平整，無裂縫，無犁溝，無飛邊，外觀效果好，焊縫無缺陷，焊縫 結構為非晶與純Al的混合物。焊縫抗拉強度約為llOMPa，焊縫區硬度值在HV90 300範 圍內變化，遠高於純Al硬度(見圖8、9、10)。由圖8-圖10可以看出，拉伸試樣的斷裂發生 在焊縫與純鋁交界純鋁一側，焊縫試樣的抗拉強度約為llOMPa，與工業純鋁在應變速率為 IXlO-V1時的抗拉強度相當。從非晶合金側到純鋁側顯微硬度值在下降，非晶合金一側的 顯微硬度值在HV530-HV700之間，純鋁側的硬度值約HV30，焊縫區的硬度值在HV90-HV300 的範圍內變化，明顯低於非晶合金而高於純鋁的硬度。實施例4
選擇的非晶合金為&-Al-Ni_Cu，具體成分為^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，異質材料為Cu (晶體材料)。如圖12所示，摩擦連接的工藝技術條件為採用攪拌焊針直徑為Φ3. 0mm，長度為 1. 5mm，軸肩Φ 12mm的攪拌頭，在轉速為1445rpm、20KN壓力、連接速度為22. lmm/min的工 藝條件下，實現了非晶合金與Cu的連接。從宏觀上看連接接頭成形比較好，焊縫上、下表 面比較平整，裂縫、犁溝或飛邊不明顯，可觀察到典型的攪拌摩擦連接所形成的半圓弧狀紋 線。
權利要求
一種非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特徵在於把攪拌摩擦焊接原理與非晶合金過冷液相區具有粘滯流變的特性相結合，利用摩擦熱使非晶焊件溫度升至Tg溫度以上的過冷液相區，非晶合金進入粘滯流變狀態，實現非晶合金與異質金屬材料晶體之間的連接。
2.按照權利要求1所述的非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特徵在於 攪拌頭的設計考慮用大的軸肩尺寸和圓柱形攪拌焊針，選用兩種規格攪拌焊針直徑為 3mm，長度為1. 5mm，軸肩直徑分別為12mm和8mm。
3.按照權利要求1所述的非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特徵在於 攪拌頭材料選為M2高速鋼，並經熱處理。
4.按照權利要求1所述的非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特徵在於 攪拌連接過程中，攪拌頭的旋轉速度控制在1000 2000rpm，連接速度控制在10 30mm/ min，連接壓力控制在15 35KN。
5.按照權利要求1所述的非晶合金與異質金屬材料攪拌摩擦連接方法，其特徵在於 異質金屬材料為A1、A1合金、Cu或Cu合金等。
全文摘要
本發明涉及塊狀非晶合金與Al等異材連接技術，具體為一種通過攪拌摩擦焊接的方法在非晶合金過冷液相區進行連接加工，使塊狀非晶合金與異質金屬材料攪拌連接的方法。本發明基於攪拌摩擦焊接原理，通過攪拌焊針和軸肩與工件間的摩擦熱使焊縫金屬形成塑性軟化層，進行塑性融合，並連接成為一個整體。非晶合金在過冷液相區具有良好的變形和粘滯流變特性，為此提出利用攪拌摩擦焊的摩擦生熱能夠使非晶合金升溫達到過冷液相區溫度，非晶合金進入粘滯流變狀態，然後通過攪拌頭的攪動實現非晶合金的連接。本發明開發出一種塊狀非晶合金連接新方法，拓寬了塊狀非晶合金在工程上的應用領域。
文檔編號B23K20/12GK101829844SQ20091001065
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者張海峰, 王中光, 胡壯麒, 覃作祥 申請人:中國科學院金屬研究所