专利名称：提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法
技术领域：
本发明专利属于焊接技术领域，特别涉及一种通过调整初始晶粒取向，提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所1991年发明的一项固相连接技术专利，其方法是由一个特定形状的搅拌针插入被焊工件的接缝处，通过搅拌头高速旋转，使得轴肩和搅拌针与被焊工件发生摩擦产生热量，从而使被焊接部位材料温度升高软化达到热塑性状态，近缝区热塑性状态的被焊材料在搅拌针的旋转搅拌作用下发生塑性流动，且沿焊接方向发生相对运动，并在轴肩顶锻压力下完成焊接的过程。目前，搅拌摩擦焊(FSW)已广泛应用于镁合金，同时也申请了大量关于搅拌摩擦焊接镁合金的专利。例如“一种中厚板AZ31镁合金的搅拌摩擦焊接方法”(申请号 201010M0914. 7)，介绍了一种适合中厚板AZ31镁合金搅拌摩擦焊接的工艺及方法。但是人们在研究镁合金搅拌摩擦焊接接头力学性能时发现，镁合金搅拌摩擦焊接接头的力学性能普遍低于镁合金母材，尤其是具有锻造组织的镁合金母材，其结合强度只有母材的 60-80%，严重影响了镁合金搅拌摩擦焊接件的应用。目前，大量的学者正从事如何提高镁合金搅拌摩擦焊接接头力学性能方面的研究。但大部分学者采用的方法是调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，焊后获得细小晶粒组织，提高接头的力学性能。虽然这种方法具有一定效果，但是由于搅拌摩擦焊接镁合金缺乏一套工艺标准，所以调整焊接工艺参数需要经过大量的尝试性试验，这不但需要花费大量的时间，还增加了经济成本。研究发现，在镁合金塑性变形过程中容易形成具有特定取向的晶粒结构，即形成织构。织构的形成将严重影响材料的力学性能，使金属材料的性能下降可达20%-50%。搅拌摩擦焊接镁合金，尤其是具有锻造组织的镁合金，接头强度普遍低于镁合金母材，其中一个很重要的原因就是在搅拌摩擦焊接的过程中，容易形成一种特定的晶粒取向，这种取向在受力过程中便于发生滑移开裂，从而降低了镁合金搅拌摩擦焊接接头的力学性能。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明专利提出了提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法，该方法在搅拌摩擦焊接之前，通过调整镁合金的初始晶粒取向，改善接头过渡区域的晶粒取向，大大改善镁合金接头的力学性能，使接头与母材的强度接近，以保证镁合金搅拌摩擦焊接件的应用。本发明专利所述的技术方案是，提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法， 有以下步骤
1)取镁合金板材，经过轧制或压缩或锻造至镁合金板材中的晶粒取向一致，用X射线衍射分析(XRD)或者背散射电子衍射分析测出镁合金板材中晶粒取向，得到经整理晶粒取向的镁合金板材1 ；2)切取镁合金板材1，得到晶粒取向与镁合金板材的水平表面之间形成夹角的镁合金板材2 ；
3)用搅拌摩擦焊接法，对接焊接两块镁合金板材2，获得力学性能优良的镁合金搅拌摩擦焊接头。步骤2)所述的夹角为0-90°。镁合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度最好时，镁合金板材2的晶粒取向与该板材水平表面之间的夹角为0°或90°。镁合金搅拌摩擦焊接头延伸率最好时，镁合金板材2的晶粒取向与该板材水平表面之间的夹角为45°。采用本发明方法所得镁合金搅拌摩擦焊接接头的优良力学性能，接近母材抗拉强度或者接近母材延伸率(接近程度达母材抗拉强度或延伸率90%以上)。本发明所述的接头力学性能为屈服强度和/或最大拉伸强度和/或最大延伸率。切割镁合金板材时，可根据需要获得不同力学性能的最佳值，调整镁合金板材水平面与其横截面晶粒之间夹角，所述夹角为ο度到90度之间的任何角度。本发明专利与现有技术相比，具有如下的显著效果
1.调整镁合金母材的初始织构，控制镁合金搅拌摩擦焊接区域的晶粒取向，使焊后接头获得理想的力学性能，解决镁合金搅拌摩擦焊接接头的力学性能低于镁合金母材的问题，应用价值大。2.调整镁合金母材初始织构的方法简单有效，且成本低廉。3.所用设备简单常见，成本较低，易于推广。
图1为在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间不同夹角得到镁合金板材2的示意图2是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为0° 板材2中横截面晶粒取向示意图3是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为45° 板材2中横截面晶粒取向示意图4是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为90° 板材2中横截面晶粒取向示意图5是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为0° 板材2时，FSff接头各区域晶粒取向示意图6是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为45° 板材2时，FSff接头各区域晶粒取向示意图7是在镁合金板材1中切取与镁合金板材水平表面之间夹角为90° 板材2时，FSW接头各区域晶粒取向示意图。
具体实施例方式在搅拌摩擦焊接之前，将镁合金板材进行塑性变形，如轧制或压缩或锻造，对原本
时所得到镁合金时所得到镁合金时所得到镁合金时所得到镁合金时所得到镁合金时所得到镁合金杂乱的晶粒取向进行整理，用X射线衍射分析(XRD)或者背散射电子衍射分析测镁合金板材晶粒取向，使其晶粒取向全部一致。例如经过轧制后的板材，具有较强的基面织构，即C 轴平行于ND (法线)方向。在切割轧制或压缩或锻造后的镁合金板材1时，根据镁合金板材横截面晶粒取向对板材进行切割，以保证镁合金板材横截面晶粒与镁合金板材水平面之间成一定的夹角， 如附图1所示，若设图1中的晶粒取向与板材水平面为90°，当切割是沿板材的水平方向切割，可以使晶粒取向与板材水平面为90° ；当切割是沿板材的水平方向呈45°角方向切割， 可以使晶粒取向与板材水平面为45° ；当切割是沿板材的水平方向呈90°垂直方向切割， 可以使晶粒取向与板材水平面为0°。以晶粒取向与板材水平面为90°的镁合金板材1为例，当切割镁合金板材1是沿板材的水平方向切割时，得到镁合金板材2为具有典型的基面织构，即C轴平行ND方向，如附图2所示；当切割镁合金板材1是与镁合金板材水平面之间成45度角时，得到镁合金板材2为晶粒取向为C轴从ND方向向TD (横向)方向偏转45度角，如附图3所示；当切割镁合金板材1是与镁合金板材水平面之间成90度夹角时，得到镁合金板材2为晶粒取向为C轴平行于TD方向，如附图4所示。……，如上述，可以得到具有特定晶粒取向的镁合金板材2。因此通过选择切割镁合金板材1与镁合金板材水平面之间的不同夹角，能有效地改变了镁合金板材2即焊接板材的初始晶粒取向，而获得特定的织构。上述镁合金板材2用搅拌摩擦焊接法，对接焊接，可以获得成形良好的焊接接头。而由于焊接板材过程中，焊接接头晶粒取向发生改变，使得镁合金焊接接头各个区域的晶粒取向不相同，将焊接后的镁合金板材分为包括母材区(Base metal)、热机械影响区 (TMAZ)以及搅拌区(SZ)，若如当切割镁合金板材1与板材水平面之间呈0度角时，各区域晶粒取向示意图如图5所示，其中图中短线示意为镁合金C轴，可知在母材区C轴平行于ND 方向。在过渡区热机械影响区C轴与TD方向呈一夹角，而在搅拌区C轴与ND、TD和WD(焊接方向)呈一定夹角(图中未给出搅拌区C轴取向示意图);当切割镁合金板材1与板材水平面之间呈45度角时，各区域C轴取向如图6所示，在热机械影响区于搅拌区晶粒取向相似， 但是与各方向(ND、TD、WD)夹角稍有不同，但是母材区的晶粒C轴从ND方向向TD (横向)方向偏转45度角；当切割镁合金板材1与板材水平面之间呈90度角时，如图7所示，热机械影响区与搅拌区C轴分布与其他两种板材焊接接头相似，与各方向(ND、TD、WD)夹角不同， 而母材区C轴平行于TD方向。由于焊接接头各区域晶粒取向不同，焊接接头在拉伸过程中塑性变形机制不同， 而导致所得屈服强度、最大拉伸强度和最大延伸率不同。例如在切割镁合金板材1与板材水平面之间成O度和90度角时，搅拌区晶粒尺寸很小，一般难以开裂，因此搅拌区考虑较少。而在母材区C轴与横向拉力方向分别成90度和0度，此时的khmid factor几乎为 0，难以发生拉伸开裂，或将发生孪晶协调变形，从而获得更高的最大拉伸性能，镁合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度最好。而当切割镁合金板材1与板材水平面之间成45度角时，在母材区C轴与横向拉力方向成45度，基面滑移khmid factor最大，便于基面滑移的开动，导致接头屈服强度、拉伸强度较低，而最大延伸率较大，得到镁合金搅拌摩擦焊接头延伸率最好。因此通过调整镁合金板材2的晶粒取向，可以改善接头各区域包括母材区、搅拌区、还包括搅拌区与母材之间的过渡区即热机械影响区的晶粒取向。提高焊接接头包括屈服强度、最大拉伸强度、最大延伸率的力学性能。并通过调整镁合金横截面晶粒取向与板材水平面之间呈之间的夹角，其夹角可以是在0度到90度之间的任何角度，而获得不同力学性能的最佳值。以下是发明人给出的具体实施例子，本发明专利不限于这些实施例。实施例1
选取经轧制整理晶粒取向后的AZ31镁合金板材1，其晶粒取向与镁合金板材水平面之间成90度夹角，切割的镁合金板材1与水平面为0度，得到AZ31镁合金板材2，采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接了两块厚为6.0 mm的AZ31镁合金板材2，轴肩直径为15 mm，搅拌针直径为5mm，长度为5. 7 mm，焊接速度为600mm/min，搅拌头旋转速度为1600 rpm。经检测，焊接后的镁合金板材接头获得最大拉伸强度达到MlMpa，几乎与母材强度(243Mpa) 等强，断裂发生在母材，焊接结合效率为100%。最大延伸率为20.5%，小于母材最大延伸率 26. 5%ο实施例2
选取经轧制整理晶粒取向后的AZ31镁合金板材1，其晶粒取向与镁合金板材水平面之间成90度夹角，切割的镁合金板材1与水平面为45度，得到AZ31镁合金板材2，采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接了两块厚为6. 0 mm的AZ31镁合金板材2，轴肩直径为15 mm，搅拌针直径为5 mm，长度为5. 7 mm。焊接速度为600 mm/min，搅拌头旋转速度为1600 rpm。经检测，焊接后的镁合金板材接头获得最大拉伸强度为212 Mpa，大于母材强度(204 Mpa)，断裂发生在母材，焊接结合效率为100%。最大延伸率为35. 5%，略小于母材最大延伸率 36. 9%ο实施例3
选取经轧制整理晶粒取向后的AZ31镁合金板材1，其晶粒取向与镁合金板材水平面之间成90度夹角，切割的镁合金板材1与水平面为90度，得到AZ31镁合金板材2，采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接了两块厚为6. 0 mm的AZ31镁合金板材2，轴肩直径为15 mm，搅拌针直径为5 mm，长度为5. 7 mm。焊接速度为600 mm/min，搅拌头旋转速度为1600 rpm。经检测，焊接后的镁合金板材接头获得最大拉伸强度为M5 Mpa，略小于母材强度(265 Mpa)，断裂发生在接头前进侧的搅拌区与热机械影响区的交界处，焊接结合效率为95%。最大延伸率为26. 7%，略小于母材最大延伸率28. 6%。
权利要求
1.一种提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法，其特征在于有以下步骤1)取镁合金板材，经过轧制或压缩或锻造至镁合金板材中的晶粒取向一致，用X射线衍射分析(XRD)或者背散射电子衍射分析测出镁合金板材中晶粒取向，得到经整理晶粒取向的镁合金板材1 ；2)切取镁合金板材1，得到晶粒取向与镁合金板材的水平表面之间形成夹角的镁合金板材2 ；3)用搅拌摩擦焊接法，对接焊接两块镁合金板材2，获得力学性能优良的镁合金搅拌摩擦焊接头。
2.根据权利要求1所述的提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法，其特征在于步骤2)所述的夹角为0-90°。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于镁合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度优良时，镁合金板材2的晶粒取向与该板材水平表面之间的夹角为0°或90°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于镁合金搅拌摩擦焊接头延伸率优良时，镁合金板材2的晶粒取向与该板材水平表面之间的夹角为45°。
全文摘要
本发明公开了一种提高搅拌摩擦焊接镁合金接头力学性能的方法，有以下步骤1)取镁合金板材，经过轧制或压缩或锻造至镁合金板材中的晶粒取向一致，用X射线衍射分析(XRD)或者背散射电子衍射分析测出镁合金板材中晶粒取向，得到经整理晶粒取向的镁合金板材1；2)切取镁合金板材1，得到晶粒取向与镁合金板材的水平表面之间形成夹角的镁合金板材2；3)用搅拌摩擦焊接法，对接焊接两块镁合金板材2，获得力学性能优良的镁合金搅拌摩擦焊接头。该方法在搅拌摩擦焊接之前，通过调整镁合金的初始晶粒取向，改善接头过渡区域的晶粒取向，大大改善镁合金接头的力学性能，使接头与母材的强度接近，以保证镁合金搅拌摩擦焊接件的应用。
文档编号B23K20/12GK102528271SQ20121001839
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者刘庆, 刘德佳, 周正, 李波, 辛仁龙 申请人:重庆大学