一种改善7xxx铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种改善7XXX((Al-Zn-Mg- (Cu)))高强铝合金搅拌摩擦焊接头质量 和力学性能的方法。 技术背景
[0002] 7XXX系（Al-Zn-Mg- (Cu))高强铝合金是典型的时效强化合金，具有高的比强度， 良好的韧性、抗腐蚀性及优异的加工性能等特点，一直被广泛用作航空航天、交通运输等领 域的结构材料。在实际应用时往往需要对这些合金进行连接。采用传统的MIG等熔焊法极 易使合金元素烧损、容易出现热裂纹、气孔等缺陷，焊接头的性能差，因此这些合金通常被 认为是不可焊的。搅拌摩擦焊接技术是一种固相连接方法，避免了熔焊时易出现的系列缺 陷，焊接头质量好，力学性能高，在实现7XXX系高强铝合金高质量连接方面具有独特的优 势，拓展了高强铝合金在航空航天、交通运输等领域中的应用范围。
[0003] 实际应用中进行搅拌摩擦焊接的7XXX系高强铝合金材料往往经过了时效处理， 其中的沉淀强化相往往包括GP区和n' (MgZn2)相。搅拌摩擦焊接时，由于搅拌头高速 旋转摩擦生热，搅拌区域中心附近金属的温度常可升高至400°C以上，甚至更高接近其固溶 温度，其中的沉淀强化相发生溶解，而在热影响区中沉淀强化相会不同程度地粗化，导致硬 度和强度下降。7XXX系高强铝合金通常具有较高的淬火敏感性，即冷却速率慢时过饱和固 溶体发生分解，合金元素会以粗大平衡相的形式析出，保留在铝基体中的溶质原子数量数 量少，而且空位浓度低。这个问题在所焊7XXX系高强铝合金材料厚度较大时尤其突出。因 此，7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接完成后，必须控制冷却过程、采用合适的热处理调控基 体中的沉淀强化相，以减小强度下降的程度，从而提高焊接头的力学性能。这对航空航天、 交通运输等工业应用中改善7XXX系高强铝合金焊接接头性能，提高焊接结构的可靠性，降 低结构件重量，节约成本，节能减排无疑具有重要的意义。
[0004] 7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接后进行水冷时冷却速率高，可增加保留在铝基体 中溶质原子数量，但极易产生热应力，出现缺陷，焊缝组织和性能不均匀，焊接头质量难以 控制；采用空气冷却时，冷却速率低，焊缝外观质量好，无缺陷，但获得的冷却速率往往难以 达到合金的临界冷却速率，铝基体中保留的溶质原子数量少，难以后续时效处理提高力学 性能提供良好的组织基础。为了进一步提高7XXX系高强铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性 能，人们尝试对焊接头进行重新固溶处理或者进行后续时效处理。焊接头重新固溶时，温度 高，焊缝区的组织极易粗化，经后续人工时效后往往难以获得高的力学性能，而且容易产生 缺陷，焊接头质量差。焊接头进行人工时效处理后，力学性能往往出现大幅度下降。焊接头 进行自然时效处理后，强度往往有提升，但为了使强度获得显著的提升所需的时间非常长， 如对7075铝合金搅拌焊接头自然时效2年，其抗拉强度才提高了约10%。因此，采用这种方 法处理周期长，效率低，焊接头强度提升有限。
【发明内容】
[0005] 针对7XXX系高强铝合金材料搅拌摩擦焊接头的上述问题，本发明基于对合金中 GP区和n'沉淀强化相形成及演变机理，利用合适的热处理技术在焊接头中获得数量多、 尺寸小、分布均匀的GP区和n'沉淀强化相，提高焊接头的质量和力学性能。
[0006] 本发明通过以下技术途径来提高7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接头的质量和力学性 能： 步骤一：将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后立即用5%-10%浓度的PAG溶液冷却 至室温； 步骤二：将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40°C~80°C环境放置2h~8640h; 步骤三：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160°C，到温后保温 2~36h，然后自然冷却至室温。
[0007] 所述步骤一中PAG溶液对焊接头冷却时速率不低于30°C/s。
[0008] 所述步骤三中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头升温至100~160°C时的升温速率不高 于2°C/min，较佳的升温速率不高于0. 5°C/min。
[0009] 适用于7XXX系铝合金，即合金元素质量百分比为：锌3~10%，镁1. 0~3. 0%， 铜0. 1~2. 6%;同时包含微合金化元素锰、铬、锆、钛、钪中的一种或多种元素，其中锰 0? 05~0. 8%，铬 0? 05~0. 6%，锆 0? 05~0. 3%，钛 0? 05~0. 2%，钪 0? 05~0. 6% ;同时还包含不可避 免的铁、硅微量杂质元素，其中铁小于0. 5%，硅小于0. 5%，其它元素单个小于0. 05%，总共小 于 0. 15%。
[0010] 7XXX系铝合金为板材、型材或管材。
[0011] 7XXX系铝合金的板材、型材及管材的状态包括W态、T4态、T5态、T6态及17态。
[0012] 本发明将7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后的冷却过程控制与后续时效过程相结 合，既改善了焊接头质量，又有效地调控了焊接头中沉淀强化相的状态，提高了焊接头的力 学性能。发明人研宄发现，7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接头中沉淀强化相的状态与焊接后铝 基体中保留下来的溶质原子数量和空位浓度密切相关。基于溶质原子和空位浓度对沉淀强 化相均匀形核温度的影响规律，本发明首先通过控制焊接后的冷却速率保留足够的溶质原 子和空位，利用先低温处理促使大量GP区形核并长大至临界尺寸，而后通过控制缓慢升温 使其稳定长大，并在后续更高温度等温保温时转变成n'相，获得更好的强化效果，最终 有效地提高力学性能，其中抗拉强度能提升15%~25%左右。7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后 采用较低浓度的PAG溶液进行冷却时，可对焊接头的冷却过程进行良好地调控，在中温区 间获得高的冷却速率，不仅接头的外观质量好，无缺陷，而且可获得高的溶质原子和空位浓 度，为后续时效处理奠定了基础。和已有的方法相比，本发明中提到的方法可获得无缺陷、 外观质量好的焊接头，而且力学性能高。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明实施例1中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头室温水冷的数码照片。
[0014] 图2为本发明实施例1中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头PAG溶液冷却的数码照片。
[0015] 图3为本发明实施例2中7XXX系铝合金搅拌焊接头维氏硬度分布曲线。
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 : 本实施例对1. 8_后T6态7XXX铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，焊接后分别采用室温 水和10%的PAG溶液冷却，冷却后在40°C环境中放置120h，然后缓慢升温至140°C，升温速 率为1°C/min。如图1所示，室温水冷却的焊接头容易出现缺陷，外观质量差，而采用10% 的PAG溶液冷却的焊接头无缺陷，外观质量美观，如图2。
[0018] 实施例2: 本实施例对1. 8mm厚的17态7XXX铝合金(化学成分列于表1)板材进行搅拌摩擦焊 接。焊接后一块板材空冷后进行自然时效处理；另一块板材利用本发明方法进行处理，即焊 接后用浓度为10%PAG溶液冷却，于45°C环境放置240h，然后以0. 25°C/min的速率升温至 110°C，保温4h，然后取出在静止空气中自然冷却。测试并对比焊缝区的维氏硬度，如图3所 示，本发明方法可提高焊缝区的硬度，尤其在焊核区和热机影响区尤为显著，从而改善焊接 头的力学性能。
[0019] 表1 17态7XXX系铝合金板材化学成分（wt%)
【主权项】
1. 一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤一：将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后用浓度为5%-10%的PAG溶液冷却至 室温； 步骤二：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40°C~80°C环境放置2h~8640h; 步骤三：然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160°C，保温时间2~36h， 然后自然冷却至室温。
2. 根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其 特征在于：所述步骤一中PAG溶液对焊接头冷却时速率不低于30°C/s。
3. 根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其 特征在于：所述步骤三中7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头升温至100~160°C时的升温速率不高 于 2°C/min〇
4. 根据权利要求3所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其 特征在于：升温速率为不高于0. 5°C/min。
5. 根据权利要求1所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法， 其特征在于：适用于7XXX系铝合金，即合金元素质量百分比为：锌3~10%，镁I. 0~3. 0%， 铜0. 1~2. 6%;同时包含微合金化元素锰、铬、锆、钛、钪中的一种或多种元素，其中锰 0? 05~0. 8%，铬 0? 05~0. 6%，锆 0? 05~0. 3%，钛 0? 05~0. 2%，钪 0? 05~0. 6% ;同时还包含不可避 免的铁、硅微量杂质元素，其中铁小于0. 5%，硅小于0. 5%，其它元素单个小于0. 05%，总共小 于 0. 15%。
6. 根据权利要求5所述的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其 特征在于：7XXX系铝合金为板材、型材或管材。
7. 根据权利要求6所示的改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其 特征在于：7XXX系铝合金的板材、型材及管材的状态是W态、T4态、T5态、T6态或17态。
【专利摘要】本发明公开了一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，先将7XXX系铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后用浓度为5%-10%的PAG溶液冷却至室温；然后将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头于40℃~80℃环境放置2h~8640h；再将7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头缓慢升温至100~160℃，保温时间2~36h，然后自然冷却至室温。本发明将7XXX系铝合金搅拌摩擦焊接后的冷却过程控制与后续时效过程相结合，既改善了焊接头质量，又有效地调控了焊接头中沉淀强化相的状态，提高了焊接头的力学性能。
【IPC分类】C21D9-50, C22F1-04
【公开号】CN104762573
【申请号】CN201510139804
【发明人】刘胜胆, 陈彬, 戴芸, 王绍玲, 黄璜, 郑英, 邓运来, 张新明
【申请人】中南大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月28日