一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，屬于材料連接和表面涂層技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型的綠色無污染的焊接方法，它是1991年由英國焊接研宄所(The Welding Institute, TWI)發(fā)明的，專利號為(US 5460317)，是一種新型固相連接技術(shù)，焊接過程中無需焊劑和焊料，只是通過攪拌頭的轉(zhuǎn)動和按照事先設(shè)置好的路徑移動，在摩擦力和下壓力及剪切力作用下，產(chǎn)生一定的熱量，使得攪拌頭經(jīng)過的熱影響區(qū)的金屬材料呈現(xiàn)固溶狀態(tài)(低于熔點(diǎn))，而熱影響區(qū)是待焊工件中需要連接的區(qū)域，攪拌摩擦焊接結(jié)束后，熱影響區(qū)內(nèi)的金屬經(jīng)過流動，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終使得兩塊板材完成了連接。
[0003]對接焊焊接過程中，由于兩塊板材是同種材料，所以攪拌摩擦焊結(jié)束后，熱影響區(qū)內(nèi)的金相組織變化不是很明顯，接頭的性能同普通焊接相比要好，但是拉伸強(qiáng)度只能達(dá)到母材的60 - 70%，耐腐蝕性和韌性都比母材要差。
[0004]化學(xué)鍍是在不通電的情況下，利用氧化還原反應(yīng)在具有催化表面的鍍件上，獲得金屬合金的方法。它是新近發(fā)展起來的一門新技術(shù)。它是一種操作方便、工藝簡單、鍍層均勻的表面處理技術(shù)，在操作過程中，不需要外接電源，制備簡單，成本低廉。
[0005]稀土元素被譽(yù)為工業(yè)界的味精，因為其自身特殊的電子層結(jié)構(gòu)，使得它在磁性、光電、催化等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，在傳統(tǒng)的化學(xué)鍍液中添加適宜種類和適量的稀土元素，可以改善鍍層薄膜的物理、化學(xué)及磁性能，添加了稀土元素的化學(xué)鍍液可以提高鍍液的穩(wěn)定性和沉積速度。
[0006]稀土元素能夠改變Cr，Ni和Cu電鍍工藝鍍液中的沉積速率和鍍液穩(wěn)定性等參數(shù)。另外，這些元素還可提高合金的物理性能，如拉伸強(qiáng)度，塑性、韌性以及抗疲勞性能。
[0007]通過對板材對接面進(jìn)行化學(xué)鍍處理，改變熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的焊接性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的:
本發(fā)明的目的在于提供一種提高焊接質(zhì)量的攪拌摩擦焊方法，該方法通過將鋁合金板材上進(jìn)行稀土鑭摻雜的化學(xué)鍍鎳處理實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，包括以下步驟:
步驟一:配備化學(xué)鍍液，其實驗裝置如圖1所示，鍍液包括如下成分(單位為g.L-1): 硫酸鎳(祖504*6!120)25
次亞磷酸鈉(NaH2PO2.H2O)20 醋酸鈉(NaCH3CO0.H2O)5
檸檬酸鈉(C6H5Na3O7.2H20) 5 氧化鑭(La2O3)0.3
用稀NaOH溶液將鍍液的初始pH值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整至4~5。使用去離子水清洗玻璃器皿。使用數(shù)字控制恒溫器控制鍍液溫度為45± 1°C。
[0010]步驟二:對鋁合金板材進(jìn)行預(yù)處理，對鋁合金板材進(jìn)行堿洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一烘干，然后表面用1000#砂紙打磨，再用金相砂紙細(xì)磨，作為化學(xué)鍍鎳溶液的基體。
[0011]步驟三:將板材除對接面外的其余各面進(jìn)行處理，處理方法為將板材表面用透明膠粘緊一將鍍液池放入恒溫器內(nèi)加熱一將板材放入鍍液池中進(jìn)行化學(xué)鍍處理一小時一取出靜置一水洗一干燥備用。
[0012]步驟四:對經(jīng)過化學(xué)鍍處理后的板材進(jìn)行表面清潔處理，待焊。
[0013]步驟五:將兩塊板對接，有鍍層的一面為對接面，用夾具裝卡在工作臺上，進(jìn)行攪拌摩擦焊接。
[0014]步驟六:將連接件線切割成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，截取橫截面腐蝕打磨，通過掃描電鏡觀察斷裂面和橫截面觀察表面形貌和金相組織。
[0015]優(yōu)選的，所述化學(xué)鍍鎳溶液中的稀土鑭元素含量為0.3%，焊后接頭力學(xué)性能最優(yōu)。
[0016]優(yōu)選的，所述鎳和鑭鍍層采用掃描電鏡(ZEISS SUPRA55型場發(fā)射)進(jìn)行表面形貌觀察。
[0017]優(yōu)選的，實驗用N1-La鍍層是在板材尺寸10mmX 200mmX Imm的銷合金基體上沉積獲得，沉積在板厚方向，最佳鍛層厚度為20 μ m。
[0018]優(yōu)選的，首先初步確定化學(xué)鍍的配方，然后為獲得更好的鍍層，采用正交試驗分析法，以鍍層的表面形貌、鍍速、穩(wěn)定時間三因素確定試驗方案，最后得到優(yōu)化的鍍液配方。
[0019]所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，配備化學(xué)鍍液；鋁合金板材尺寸為10mmX 200mmX 1mm，表面用1000#砂紙打磨，再用金相砂紙細(xì)磨，作為化學(xué)鍍鎳溶液的基體；制備稀土鑭摻雜的鎳基鍍層的過程為:對鋁合金板材進(jìn)行堿洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一將板材表面用透明膠粘緊一將板材放入容器中進(jìn)行化學(xué)鍍處理60分鐘一取出靜置一水洗一干燥備用；對經(jīng)過化學(xué)鍍處理后的板材進(jìn)行表面清潔處理；將兩塊板對接，有鍍層的一面為對接面，用夾具裝卡在工作臺上，進(jìn)行攪拌摩擦焊接。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的化學(xué)鍍實驗裝置圖；
圖2為待焊件示意圖；
圖3為焊接熱影響區(qū)掃描電鏡圖。
[0021]圖4為加La后的合金固溶組織。
[0022]圖5為室溫拉伸斷口形貌。
[0023]【具體實施方式】:
實施例1:首先按照技術(shù)方案中所述的比例準(zhǔn)備化學(xué)鍍液，將稱量好的醋酸鈉和次亞磷酸鈉放入燒杯中，放入少量水，攪拌均勻；將稱取好的硫酸鎳和檸檬酸鈉放入混合酸中，加熱攪拌至完全溶解，最后將稀土鑭的氧化物放入化學(xué)鍍液中，并測定溶液的PH值，用配制好的氫氧化鈉溶液調(diào)pH值到3~5。使用數(shù)字控制恒溫器控制鍍液溫度為45± 1°C。
[0024]鋁合金板材型號為6061，尺寸為10mmX 200mmX 1mm，對其進(jìn)行預(yù)處理，步驟為堿洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一烘干，然后表面用1000#砂紙打磨，再用金相砂紙細(xì)磨，作為化學(xué)鍍鎳溶液的基體。
[0025]將板材除對接面外的其余各面進(jìn)行處理，處理方法為將板材表面用透明膠粘緊一將鍍液池放入恒溫器內(nèi)加熱一將板材放入鍍液池中進(jìn)行化學(xué)鍍處理一小時一取出靜置一水洗一干燥備用。
[0026]對經(jīng)過化學(xué)鍍處理后的板材進(jìn)行表面清潔處理，待焊。將兩塊板對接，有鍍層的一面為對接面，用夾具裝卡在工作臺上，使用北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行攪拌摩擦焊接實驗，將連接件線切割成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，截取橫截面腐蝕打磨，通過掃描電鏡觀察斷裂面和橫截面觀察表面形貌和金相組織。
[0027]圖3a為鋁合金的室溫顯微組織，由灰白色的基體初生相組成，其晶界的組成包括呈網(wǎng)狀的相和彌散分布的顆粒相，圖3b是加入稀土元素La后合金的顯微組織，與圖3a相比，La的加入使得合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的改變，晶界處原來網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的合金相也發(fā)生了變化，晶界變得模糊，晶粒內(nèi)部黑色顆粒相變得更加彌散，同時出現(xiàn)了呈多邊形結(jié)構(gòu)的新相，它們位于晶粒內(nèi)部和晶界處。
[0028]圖4是固溶后的鋁合金的顯微圖片，從兩圖中可以看出，加入La后鋁合金的晶粒尺寸得到明顯的細(xì)化，利用專用軟件測量后可知晶粒尺寸由未加入La時的約240Mm降至約150Mm，降低了 37.5%。
[0029]添加La前后的鋁合金的拉伸試樣斷口形貌見圖5，未添加La的試樣斷口較平齊且光亮，屬準(zhǔn)解理斷口，由大量的撕裂棱和準(zhǔn)解理臺階組成，局部區(qū)域有少量的小韌窩，兩圖相比，加入La的鋁合金斷口形貌出現(xiàn)更多的尺寸較大、深度較深的韌窩，并且撕裂棱比較細(xì)小，韌窩通過撕裂棱相互連接起來，從圖5中標(biāo)記S處可以明顯看到第二相粒子，這對斷面中韌窩的比例和形狀都有一定的影響，這說明La的加入能夠改善合金的塑性。
【主權(quán)項】
1.一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于，在鋁合金板材的基體側(cè)面進(jìn)行化學(xué)鍍處理，進(jìn)而改變焊縫區(qū)的組織，提高接頭性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:化學(xué)鍍液為含稀土鑭的化學(xué)鍍鎳溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:該化學(xué)鍍鎳溶液的主要成分為，La2O3 0.3g，NiSO4.6H20 25g/L?
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:該工件鍍鎳過程為，將被鍍制件浸入添加了稀土鑭的混合溶液內(nèi)，在一定酸度和溫度下發(fā)生變化，溶液中的鎳離子和鑭離子被次磷酸二氫鈉還原為原子而沉積于工件表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:預(yù)處理方法簡單，化學(xué)鍍液制備容易。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，其特征在于:通過攪拌摩擦焊接方法對兩塊鍍鎳的鋁合金板材成功施焊后，分析焊縫區(qū)域的金相組織和斷裂后接頭形貌發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸得到明顯的細(xì)化，連接區(qū)的韌性、強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性都得到了提高。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種稀土鑭摻雜的鍍鎳鋁合金板材的攪拌摩擦焊方法，首先配置含稀土鑭的化學(xué)鍍鎳溶液，稀土元素鑭（La）以其氧化物的形式存在，將待焊鋁合金板材的側(cè)面進(jìn)行施鍍，施鍍結(jié)束，鋁合金板材對接面獲得10um~100um厚度的Ni-La2O3鍍層，然后將含鍍層的兩塊鋁合金板材對接固定在工作臺上，通過攪拌摩擦焊的方法攪拌連接在一起，冷卻后通過掃描電鏡觀察焊縫區(qū)的合金組織，發(fā)現(xiàn)增加了Al11La3相，它們沿著晶界呈彌散分布，使晶粒結(jié)合更為緊密，焊縫區(qū)域晶粒得到很好的細(xì)化，能防止晶間變形，焊后對接頭力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明連接區(qū)的韌性、強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性都得到了提高。
【IPC分類】B23K20-24, B23K101-18, B23K20-12, C23C18-36, B23K20-233, B23K103-10
【公開號】CN104772560
【申請?zhí)枴緾N201510108973
【發(fā)明人】張明
【申請人】臨沂大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年3月13日