专利名称：非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法
技术领域：
本发明涉及块状非晶合金与Al等异材连接技术，具体为一种通过搅拌摩擦焊的 方法在非晶合金过冷液相区进行连接加工，使块状非晶合金与异质金属材料Al等搅拌连 接的方法。
背景技术：
非晶合金作为一种新型工程材料，在使用过程中有时需要与其他金属进行连接， 非晶合金的连接性问题就受到了关注。目前，国内外对于非晶合金连接性研究已经取得了 一些进展。非晶合金连接方法主要包括爆炸焊、储能脉冲连接、电子束焊、激光焊、摩擦焊 等五种。在这些连接方法中前四种均为熔化连接，这种方法容易导致焊后晶化、缺陷和焊缝 脆化；摩擦连接则被认为是一个固态连接过程，由于接头处合金不熔化，从而避免了晶化和 连接缺陷，能得到很高的力学性能，摩擦焊是连接非晶合金较为理想的一种连接方法。摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到 热塑性状态，然后迅速顶锻，完成连接的一种压焊方法。Kawamura等最早采用摩擦连接的 方法实现了 Pd4QNi4(1P2Q、Pd40Cu30Ni10P20, Zr55Al10Ni5Cu30 和 ^41Ti14Cu12NiltlBe23 等非晶合金的 连接。连接接头的强度与母材相当，异种非晶合金之间进行连接时，其玻璃化温度Tg相 差低于50K，可以实现连接；但当两种不同的非晶合金间的玻璃化温度Tg相差大于50K以 上时，则由于焊缝两端非晶合金的变形程度不同而不能连接。同时，Kawamura研究组还 成功地完成了 ^41Ti14Cu12NitlBe23非晶合金对2017铝合金和5038铝合金的连接。而在 Zr41Ti14Cu12Ni10Be23与低碳钢、Ti合金、7075铝合金连接中，非晶合金单方面变形，从而导致 了连接的失败。Kawamura等利用电子束连接方法成功地对^41Ti14Cu12NiltlBe23自身， Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 与纯& 金属，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 与 &合金(Zircaloy-4)的连接。但 对 ^41Ti14Cu12NiltlBe23 与低碳钢，Zr41Ti14Cu12NiltlBe23 与 Ti 合金(Ti_6AL_4V)的连接失败，另 外对^55AlltlNi5Cu3tl的电子束焊失败。非晶合金^41Ti14Cu12NiltlBe23和晶态金属&、&合金 的连接获得了良好的连接接头。接头处靠近块体非晶合金(BMG) —侧的区域仍保持了玻璃 态组织，而靠近ττ金属的区域没有脆性相的形成。对接头作拉伸实验，断裂发生在ττ金属 一侧。抗拉强度与原纯rLx金属同为400MPa。李波等采用激光连接技术连接块体非晶合金&45Cu48A17。结果表明在连接热循环 作用下，熔化区和热影响区的晶粒形貌和组织具有很大的差异，连接速率为2m/min时，熔 化区主要生成τ 5 (Zr38Cu36Al26)、ZrCu和一未知相，热影响区主要生成相，连接速率为 4m/min时，熔化区保持了非晶特性，热影响区部分晶化，其主要生成相为相，热影响区 的晶化行为与非晶合金热处理过程的晶化行为有一定的区别，其主要原因是激光连接时的 高速加热及冷却过程对各晶化相生长速率影响程度不同。储能脉冲连接热量输入集中，连接持续时间短。Kawamura等成功地连接了 ^55AlltlNi5Cu3tl 非晶态合金。
有关搅拌摩擦焊尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶合金在过冷液相区与异质金属材料Al等晶体材料进行焊接的方法，焊缝为非晶合金与Al等的混合物，焊缝强度不低于母材。本发明的技术方案一种非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，把搅拌摩擦焊接原理与非晶合 金过冷液相区具有粘滞流变的特性相结合，利用摩擦热使非晶焊件温度升至Tg温度以上的 过冷液相区，非晶合金进入粘滞流变状态，实现非晶合金与异质晶体金属材料之间的连接。1、搅拌头选择对非晶合金与纯Al等晶体材料连接，考虑到这两种金属在化学成 分、力学性能方面的巨大差异，即室温下非晶合金的硬度很高，而纯Al等晶体材料的硬度 较低。因此，在搅拌头的设计中采用大的轴肩尺寸及圆柱形的搅拌焊针。选用两种规格搅 拌焊针直径为Φ 3. 0mm，长度为1. 5mm，轴肩直径分别为Φ 12. Omm和Φ8. 0mm。搅拌头一般由耐高温、抗磨损的材料制成，一般多采用中碳钢、高碳钢或工具钢 等。本发明由于非晶合金的强度硬度较高，故搅拌头材料采用具有良好耐磨性和高红硬性 的M2高速钢，并经严格的常规热处理。2、搅拌头旋转速度在连接非晶合金时应采用较高的搅拌头速度，搅拌连接过程 中搅拌头的旋转速度控制在1000 2000rpm。当搅拌头旋转速度提高到1445rpm时，焊缝 表面没有犁沟，容易获得成形良好的焊缝。3、连接速度在搅拌头的旋转速度一定时，连接速度(ν)对连接焊缝成形的影响 很大。采用稍低的连接速度，容易获得表面光洁、平整的焊缝。但若连接速度过低，则在焊缝 背面易因Al等晶体材料熔化而出现孔洞(焊透)缺陷。若连接速度过快，焊缝表面的粗糙 度差，容易在上表面出现犁沟。总有一个适当的连接速度范围与其相对应，降低旋转速度， 连接速度则相应的降低。只有搅拌焊头的旋转速度与连接速度合理匹配时，才能得到外观 成形好、内部无缺陷的优质焊缝，连接速度控制在10 30mm/min。4、当其它工艺参数不变而改变连接压力时，也会影响焊缝的成形。连接压力较小 时，轴肩压不住焊缝，容易在材料表面形成犁沟。但是，若连接压力过大，则材料表面的热塑 性金属容易聚集在回转侧，从而在上表面形成较大飞边，并导致搅拌焊针穿透背面，造成焊 透。搅拌摩擦连接工艺过程中，只有通过施加足够的连接压力才能在搅拌焊头和焊件之间 获得摩擦力进而获得足够的摩擦热能，同时，连接压力起到限制塑性流体外溢，保证焊缝成 形的作用。因此，连接压力的大小对连接质量有重要的影响，连接压力控制在15 35KN。本发明中，采用搅拌焊针为圆柱形的搅拌头，当工艺参数为旋转速度1445rpm，连 接速度14. 6,22. lmm/min，施加压力20kN时，能成功实现块体非晶合金与纯Al等晶体材料 的连接，焊缝区上、下表面平整光滑，没有飞边、焊透等缺陷出现；轴肩直径越大，焊缝表面 成型越好。本发明中，异质金属材料除了纯Al之外，还可以为Al合金、Cu、Cu合金等。本发明的特点1、采用本发明后，接头焊缝区的材料塑性流动状态明显，前进侧的纯Al等晶体材 料呈螺旋状进入非晶合金一侧，材料混合较为均勻，且非晶合金没有发生晶化，在连接过程中没有其它晶相生成，非晶合金仍保持为非晶态。当改变连接压力、搅拌头、连接速度时，焊 缝区材料的玻璃转变温度、晶化开始温度变化不大，说明参数条件不影响非晶合金的结构， 仍为非晶态。2、本发明中，搅拌头的旋转速度、连接速度和连接压力对焊缝成形有重要影响。搅 拌头的转速较低时，搅拌摩擦过程类似于金属的铣削加工，焊缝表面形成犁沟，得不到成形 好的焊缝。过低的连接速度、连接压力和过高的连接速度、连接压力对焊缝的成形都不好。3、采用本发明后，非晶合金和Al等晶体材料经搅拌摩擦焊形成的焊缝是非晶合 金和Al等晶体材料的机械混合物。4、采用本发明后，焊缝的强度和硬度高于Al等晶体材料母材。5、采用本发明后，非晶合金与异材晶体Al等晶体材料的焊缝平整，无裂缝，无犁 沟，无飞边，外观效果好，焊缝组织结构为非晶合金与晶体Al等晶体材料的混合物，非晶合 金与Al等晶体材料搅拌摩擦焊焊缝强度与硬度不低于Al等晶体材料母材。
图1为搅拌摩擦焊过程中工件装夹位置和搅拌头旋转方向示意简图；图中，1块体 非晶合金；2异质金属材料；3搅拌头。图2为非晶合金与Al搅拌摩擦焊焊缝的外观形貌；其中，a)上表面；b)下表面。图3为搅拌摩擦焊焊缝上表面的扫描电镜(SEM)图像。图4为焊缝区的透射电子显微照片；其中，a明场；b暗场。图5为焊缝区的透射电子显微及选区衍射照片。图6为Φ 12mm轴肩搅拌头试样焊缝区X射线衍射谱。图7为不同连接压力下焊缝样品的DSC曲线。图8为连接试样拉伸断裂后的宏观形貌。图9为非晶合金与工业纯Al焊缝的应力一应变曲线。图10为非晶合金与工业纯Al焊缝区域显微硬度分布曲线。图11为搅拌头的结构示意图；图中，4搅拌焊针；5轴肩。图12为非晶合金与Cu搅拌摩擦焊焊缝的外观形貌；其中，a)上表面；b)下表面。
具体实施例方式以下通过实施例详述本发明。实施例1选择的非晶合金为&-Al-Ni_Cu，具体成分为^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，异质 材料为工业纯Al (晶体材料)。在焊接铝与金属玻璃过程中，试件的装夹位置和搅拌头的旋转方向对于焊接成功 与否极为重要。如图1所示，异质金属材料(Al) 2应位于搅拌头3的前进侧，块体非晶合金 (金属玻璃)1位于焊接的回转侧，这样才能容易获得成形良好的焊缝。这是因为Al的传 热与金属玻璃相比要快许多，它比金属玻璃先达到塑性流变状态，而在搅拌头的后侧面由 于长时间的摩擦金属玻璃温度已处于过冷液相区内塑性流变要高于Al，旋转方向使流变塑 性好的向相对不好的方向搅动填充焊缝，这样使焊缝充填较好。搅拌头为搅拌焊针4与轴肩5连接构成的一体结构，如图11所示。摩擦连接的工艺技术条件为采用搅拌焊针直径为 Φ3. Omm，长度为1.5mm，轴肩Φ 12mm的搅拌头，在转速为1445rpm、20KN压力、连接速度为 22. lmm/min的工艺条件下，实现了非晶合金与Al的连接。从宏观上看连接接头成形好，焊 缝上、下表面平整，无裂缝或犁沟，无飞边，可观察到典型的搅拌摩擦连接所形成的半圆弧 状纹线。在连接过程中，搅拌焊针先与非晶合金摩擦生热，温升使非晶合金逐渐软化，搅拌焊针插入非晶合金与Al接缝处。然后，搅拌头轴肩与非晶合金或Al摩擦，进一步使焊缝周 围的非晶合金软化，塑性变形抗力变小。搅拌焊针的高速旋转带动其周围的非晶合金和Al 流动起来，塑化金属向后流动、填充，随着搅拌头向前移动，从而形成焊缝，成功连接(见图 2、3、4、5)。由图2-图5可以看出，焊接接头成形好，焊缝上、下表面平整，无裂缝或犁沟，无 飞边，可观察到典型的搅拌摩擦焊接所形成的半圆弧状纹线。非晶合金经搅拌产生的流动， 形成了非晶合金的流线，该流线进入了焊缝区，与铝产生了机械混合。在Al基体上弥散分 布着许多细小的非晶合金，颗粒与基体的界限较清晰分明，没有观察到微孔洞的存在，说明 样品是很致密的。非晶合金也以条状形态镶嵌于Al中。对图5中区域进行选区电子衍射， 得到了非晶典型的漫散射所形成的“晕”，并在晕的周围出现了一些晶态Al的衍射斑点，充 分证明了非晶与铝产生了机械混合。实施例2连接选材同实施例1，不同之处在于连接速度选为14. 6mm/min,其它连接工艺条 件同实施例1。连接效果同实施例1，焊缝平整，无裂缝，无犁沟，无飞边，外观效果好，焊缝 无缺陷，焊缝结构为非晶与纯Al的混合物(见图6、7)。由图6-图7可以看出，试样的衍射 谱为非晶合金的漫散射峰上叠加一些衍射峰，这些峰位完全对应纯铝的峰值，没有其它晶 相的衍射峰出现，这说明在非晶合金与纯铝的搅拌摩擦焊接过程中，非晶合金仍保持为非 晶状态，在焊接过程中没有出现非晶合金的晶化现象，也没出现因非晶合金与铝的强烈塑 性变形而形成的新相。与原始态的非晶合金相比，焊缝的DSC曲线也具有典型的玻璃转变 和晶化峰。在焊接压力为17. 5kN、20kN和25kN所得试样的DSC曲线确定的玻璃转变温度 分别为 408. 5°C、410. 0°C >408. 7°C，晶化开始温度分别为 490. 0°C >484. 1°C >491. 8°C，与铸 态非晶合金的玻璃化转变温度、晶化开始温度相差不大，说明焊接前后试样的非晶结构基 本没有变化，也没有形成其它新相。因此，采用不同焊接压力进行焊接时不影响非晶合金的 非晶态结构。实施例3连接选材同实施例1，不同之处在于连接压力选为25KN，其它工艺条件同实施例 1。连接效果同实施例1，焊缝平整，无裂缝，无犁沟，无飞边，外观效果好，焊缝无缺陷，焊缝 结构为非晶与纯Al的混合物。焊缝抗拉强度约为llOMPa，焊缝区硬度值在HV90 300范 围内变化，远高于纯Al硬度(见图8、9、10)。由图8-图10可以看出，拉伸试样的断裂发生 在焊缝与纯铝交界纯铝一侧，焊缝试样的抗拉强度约为llOMPa，与工业纯铝在应变速率为 IXlO-V1时的抗拉强度相当。从非晶合金侧到纯铝侧显微硬度值在下降，非晶合金一侧的 显微硬度值在HV530-HV700之间，纯铝侧的硬度值约HV30，焊缝区的硬度值在HV90-HV300 的范围内变化，明显低于非晶合金而高于纯铝的硬度。实施例4
选择的非晶合金为&-Al-Ni_Cu，具体成分为^55AlltlNi5Cu3tl (原子百分比)，异质材料为Cu (晶体材料)。如图12所示，摩擦连接的工艺技术条件为采用搅拌焊针直径为Φ3. 0mm，长度为 1. 5mm，轴肩Φ 12mm的搅拌头，在转速为1445rpm、20KN压力、连接速度为22. lmm/min的工 艺条件下，实现了非晶合金与Cu的连接。从宏观上看连接接头成形比较好，焊缝上、下表 面比较平整，裂缝、犁沟或飞边不明显，可观察到典型的搅拌摩擦连接所形成的半圆弧状纹 线。
权利要求
一种非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，其特征在于把搅拌摩擦焊接原理与非晶合金过冷液相区具有粘滞流变的特性相结合，利用摩擦热使非晶焊件温度升至Tg温度以上的过冷液相区，非晶合金进入粘滞流变状态，实现非晶合金与异质金属材料晶体之间的连接。
2.按照权利要求1所述的非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，其特征在于 搅拌头的设计考虑用大的轴肩尺寸和圆柱形搅拌焊针，选用两种规格搅拌焊针直径为 3mm，长度为1. 5mm，轴肩直径分别为12mm和8mm。
3.按照权利要求1所述的非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，其特征在于 搅拌头材料选为M2高速钢，并经热处理。
4.按照权利要求1所述的非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，其特征在于 搅拌连接过程中，搅拌头的旋转速度控制在1000 2000rpm，连接速度控制在10 30mm/ min，连接压力控制在15 35KN。
5.按照权利要求1所述的非晶合金与异质金属材料搅拌摩擦连接方法，其特征在于 异质金属材料为A1、A1合金、Cu或Cu合金等。
全文摘要
本发明涉及块状非晶合金与Al等异材连接技术，具体为一种通过搅拌摩擦焊接的方法在非晶合金过冷液相区进行连接加工，使块状非晶合金与异质金属材料搅拌连接的方法。本发明基于搅拌摩擦焊接原理，通过搅拌焊针和轴肩与工件间的摩擦热使焊缝金属形成塑性软化层，进行塑性融合，并连接成为一个整体。非晶合金在过冷液相区具有良好的变形和粘滞流变特性，为此提出利用搅拌摩擦焊的摩擦生热能够使非晶合金升温达到过冷液相区温度，非晶合金进入粘滞流变状态，然后通过搅拌头的搅动实现非晶合金的连接。本发明开发出一种块状非晶合金连接新方法，拓宽了块状非晶合金在工程上的应用领域。
文档编号B23K20/12GK101829844SQ20091001065
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者张海峰, 王中光, 胡壮麒, 覃作祥 申请人:中国科学院金属研究所