一种研究搅拌摩擦焊接过程中材料流变行为的示踪方法

摘要

本发明公开了一种研究搅拌摩擦焊接过程中材料流变行为的示踪方法，属于搅拌摩擦焊接技术领域。该方法是通过线切割、化学氧化或阳极氧化等手段，在工件对接面或上表面上制造一层人工氧化膜；然后进行搅拌摩擦焊接，焊接完成后，迅速将搅拌工具拔出，根据氧化物在匙孔周围及接头中的分布，分析焊接过程中的材料流变机理。本发明解决了传统方法中标记材料干扰材料流变、不能反映真实的材料流动信息等问题，适用于各种金属材料，包括铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢铁及金属基复合材料的焊接研究，在搅拌摩擦焊接过程中材料流动机理研究方面将有着广阔的应用前景。

说明书

技术领域：

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，特别提供了一种研究搅拌摩擦焊接过程 中材料流变行为的示踪方法，适用于各种金属材料的搅拌摩擦焊接，包括铝合金、 镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢铁及金属基复合材料。

背景技术：

搅拌摩擦焊接是1991年在英国发明的一种固相连接技术，在焊接过程中没 有材料的熔化、热输入小，因而焊接接头没有熔焊缺陷，焊接变形和残余应力小， 特别适用于焊接铝合金、镁合金和铜合金等低熔点金属，也可用于钛合金、钢铁 和金属基复合材料等高熔点及难焊材料的焊接，在航空航天、轨道交通、船舶、 汽车等工业领域得到广泛应用。

搅拌摩擦焊接技术的上述优点来源于它的特殊连接过程：一个非消耗的焊接 工具(由特殊设计的轴肩和搅拌针组成)高速旋转插入焊接位置并沿着接缝前进。 焊接工具与工件摩擦产生高的热输入和剧烈塑性变形，两个工件在摩擦热和剧烈 塑性变形的共同作用下连接在一起。

在这一过程中，热输入和塑性变形引起的材料塑性流动是研究搅拌摩擦焊接 技术的两个重要切入点。其中，热输入是衡量材料组织和力学性能的一个重要指 标，可以通过温度测量或温度场数值模拟来表征。而材料的塑性流变过程是理解 焊核的形成机制和微观组织演化的基础，然而，由于材料的流动过程是不可见的， 使得材料流变机理的实验研究受到了一定限制，而应变场的数值模拟研究由于材 料流变过程的复杂性很难实现。这直接影响了焊接工具设计和焊接参数的优化。

为了理解搅拌摩擦焊接过程中材料的流变机制，各种实验手段被采用，其中 在接头中设置标记材料是最常用的方法。通过追踪标记材料在搅拌摩擦焊接接头 中的分布，研究材料的塑性流变过程。传统的研究方法如下：

将微小的金属球[K.Colligan，Material flow behavior during friction stir welding of aluminum，Welding Journal，1999，78，229-237]、铝合金片[T.U.Seidel and A.P. Reynolds，Visualization of the material flow in AA2195 friction stir welds using a  marker insert technique，Metallurgical and Materials Transactions A，2001，32， 2879-2884]、纯铝片[S.W.Xu and X.M.Deng，A study of texture patterns in friction  stir welds，Acta Materialia，2008，56，1326-1341]或纯铜片[H.N.B.Schmidt，et al， Material flow in butt friction stir welds in AA2024-T3，Acta Materialia，2006，54， 1199-1209]等标记材料放置在工件对接面或上表面上，焊接完成后，通过追踪标 记材料在接头中的分布，研究材料的塑性流变机理。然而，传统的标记材料方法 存在明显不足：

第一，将外置的标记材料放置在对接面或上表面上，这种标记材料与对接面 分离，改变了原始的对接面状态。

第二这种外置的标记材料影响了焊接过程中的材料流动，因而不能反映真实 的材料流动形态。

实际上，对于铝合金和镁合金等合金，它们在空气中放置一段时间后会在对 接面上形成一层极薄的氧化膜，这层氧化膜是一种用来标记材料流动的很好的标 记材料，但是，它极易被焊接过程中的剧烈塑性变形打碎，因而不易观察到。如 果把氧化膜加厚，使之在搅拌摩擦焊之后易于观察，那么就可以追溯材料的塑性 流动过程。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种研究搅拌摩擦焊接过程中材料流变行为的示踪 方法，解决传统标记材料扰乱变形过程、无法反映原始的材料流动过程等问题。

本发明的技术方案是：

一种研究搅拌摩擦焊接过程中材料流变行为的示踪方法，通过人工方法，在 工件对接面或上表面上制造一层氧化膜；然后对工件进行搅拌摩擦焊接，焊接完 成后，将搅拌针拔出；根据氧化物在焊接匙孔周围和焊接接头中的分布，分析焊 接过程中的材料流变机理。

所述人工方法为线切割、化学氧化或阳极氧化，不同于自然氧化膜的形成过 程，其功能在于制备比天然氧化膜更厚的氧化膜。

所制造氧化膜的厚度为0.2～50μm。

焊接完成后，焊接工具的回抽停留时间为0秒，搅拌针的回抽速度(mm/s) 与板材厚度(被测材料厚度)(mm)之比≥30。

上述方法适用于铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢铁或金属基 复合材料。

本发明的有益效果是：

1、与传统的外置标记材料方法相比，本发明可保证标记材料与基体紧密联 系在一起，最大程度上减小了标记材料对材料流动过程的影响。

2、本发明中标记材料具有一定厚度，方便在金相和扫描电子显微镜下观察；

3、焊接完成后，迅速将焊接工具拔出，可以获得最接近原始的材料流动状 态。因此，这种标记材料的制备方法对于搅拌摩擦焊接的机理研究有重要的意义。

附图说明

图1是本发明中搅拌摩擦焊接2024铝合金接头中人工制造的氧化物的分布 图。

图2是未采用本发明方法时搅拌摩擦焊接2024铝合金接头的横截面剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

用线切割方法沿大小为300×90×5mm的2024铝合金板材的长度方向切割， 在板材的侧面制造一层人工氧化膜，厚度为10μm，然后用丙酮清洗掉表面的油 污。然后以带有人工氧化膜的侧面作为对接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接 转速为400rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成后，沿焊接样品横向截取小 块试样进行观察，如图1所示，图中黑色曲线即为人工制造的氧化物，其在接头 中的分布清晰可见，可见氧化物呈“S”状分布，氧化物两侧的组织明显不同。

比较例1

用丙酮将大小为300×90×5mm的2024铝合金板材清洗干净，直接对板材 进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为400rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成后， 沿焊接样品横向截取小块试样进行观察，如图2所示，氧化物在接头中的分布模 糊不清，难以辨别。

实施例2

用线切割方法沿大小为300×90×5mm的2024铝合金板材的长度方向切割， 在板材的侧面制造一层氧化膜，厚度为8μm，然后用丙酮清洗掉表面的油污。然 后以带有人工氧化膜的侧面作为对接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为 800rpm，行进速度为200mm/min。焊接完成后，立即将焊接工具以500mm/s的 速度从工件拔出。截取匙孔试样进行观察，可以清晰观察到氧化物在匙孔周围的 分布，从而获得了原始的材料流变信息。

比较例2

用线切割方法沿大小为300×90×5mm的2024铝合金板材的长度方向切割， 在板材的侧面制造一层氧化膜，厚度为8μm，然后用丙酮清洗掉表面的油污。然 后以带有人工氧化膜的侧面作为对接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为 800rpm，行进速度为200mm/min。焊接完成后，焊接工具原地旋转2s后以30mm/s 的速度从匙孔拔出。截取匙孔试样进行观察，观察到的氧化物在匙孔周围凌乱分 布，无法获得原始的材料流动状态。

实施例3

用线切割方法沿大小为200×80×8mm的AZ91镁合金板材的长度方向切 割，在板材的侧面制造一层氧化膜，厚度为15μm，然后用丙酮清洗掉表面的油 污。然后以带有人工氧化膜的侧面作为对接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接 转速为600rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成后，沿焊接样品横向截取试 样进行观察，可以清晰观察到氧化物在接头中的分布。

比较例3

从用丙酮将大小为200×80×8mm的AZ91镁合金板材清洗干净，直接对板材 进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为600rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成后， 沿焊接样品横向截取小块试样进行观察，氧化物在接头中的分布模糊不清，难以 辨别。

实施例4

用化学氧化方法在大小为300×100×5mm的2014铝合金板材的侧面制造一层 氧化膜，厚度为0.5μm，用酒精清洗干净。然后以带有人工氧化膜的侧面作为对 接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为400rpm，行进速度为100mm/min。 焊接完成后，沿焊接样品横向截取试样进行观察，可以清晰观察到氧化物在接头 中的分布。

比较例4

从用丙酮将大小为300×100×5mm的2014铝合金板材清洗干净，直接对板 材进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为400rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成 后，沿焊接样品横向截取小块试样进行观察，氧化物在接头中的分布模糊不清， 难以辨别。

实施例5

用阳极氧化方法在大小为170×90×5mm的2024铝合金板材的侧面制造一层 氧化膜，厚度为30μm，用酒精清洗干净。然后以带有人工氧化膜的侧面作为对 接面，对板材进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为500rpm，行进速度为100mm/min。 焊接完成后，沿焊接样品横向截取试样进行观察，可以清晰观察到氧化物在接头 中的分布。

比较例5

用丙酮将大小为170×90×5mm的2024铝合金板材清洗干净，直接对板材 进行搅拌摩擦焊接，焊接转速为500rpm，行进速度为100mm/min。焊接完成后， 沿焊接样品横向截取小块试样进行观察，氧化物在接头中的分布模糊不清，难以 辨别。

试验结果表明本发明适用于各种金属材料的搅拌摩擦焊接过程中材料流变 行为的示踪，包括铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、钢铁及金属基复 合材料等。