一种激光处理提高Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法

摘要

本发明属于铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀技术领域，涉及一种激光处理提高Al‑Zn‑Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法。步骤一：预处理，将待处理接头进行预打磨处理，去除接头的飞边和表面氧化膜。步骤二：配置合金粉末，将合金粉末放入球磨机中进行混合、研磨。步骤三：粉末喷涂，将混合好的合金粉末、粘结剂与酒精的混合溶液均匀喷涂在接头正面待处理区域表面，然后烘干。步骤四：激光合金化，步骤五：在对接头一面进行激光合金化处理后，将接头翻面，对另一面接头待处理区域依次进行步骤三和步骤四的操作。本发明能够在Al‑Zn‑Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头表面制备出与合金化层与基体呈良好的冶金结合、组织均匀致密、表面平整的耐蚀合金化层。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀技术领域，涉及一种激光处理提高Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法。

背景技术

由于铝合金的密度低、强度高、塑性好、和易成型等优点，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。Al-Zn-Mg(Cu)系铝合金是Al-Zn-Mg(Cu)可热处理强化型铝合金，该合金具有高比强度、高比刚度、优良的延展性以及加工性能优异等特点，广泛应用于航空航天、轨道交通、动力能源等诸多领域。由于Al-Zn-Mg(Cu)系铝合金的主要强化相MgZn₂的化学活性较高，导致Al-Zn-Mg(Cu)铝合金的耐蚀性较差。

搅拌摩擦焊(简称FSW)是一种新型固相连接技术，相比较传统的熔焊工艺，具有力学性能更高，变形小和环保无污染等优点，Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达到母材抗拉强度的90％左右。但是Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接结构件的实际应用和研究中发现，由于在搅拌摩擦焊接过程中不同区域受到搅拌和热循环影响的程度不同，使得接头各微区显微组织存在较大差异。特别是接头的热机影响区和热影响区晶界处的η析出相尺寸和分布状态将会发生改变，导致微区的耐蚀性恶化，而且铝合金中存在的大量结晶相也会诱发铝合金点蚀，并随着时间的延长发展成晶间腐蚀、剥落腐蚀等其他腐蚀形式，这对于Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接结构件使用的安全性将带来很大的隐患。因此，提高Al-Zn-Mg(Cu)系高强铝合金搅拌摩擦焊接头的耐蚀性，这对于提高Al-Zn-Mg(Cu)系高强铝合金焊接结构件的可靠性和安全性具有重要的意义。

目前，关于提高Al-Zn-Mg(Cu)系高强铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法主要有热处理、冷喷涂、微弧氧化等。中国专利201310240156.2中公开了一种热处理改善高强铝合金焊接接头抗腐蚀性能的方法。主要是通过焊后固溶和人工时效处理，改变焊接接头的组织形态，从而提高接头的抗腐蚀性能。但这种方法不适合处理尺寸较大的工件，且耗时较长，效率不高。中国专利201310517252.7中公开了一种高速列车铝合金焊接接头的微弧氧化耐腐防护方法。主要是采用微弧氧化技术对接头进行处理，使得接头局部区域发生反应，形成陶瓷层来提高接头的耐蚀性。但这种方法需要的电压非常大，操作时存在较大的安全隐患，且制备的陶瓷涂层与铝合金的性能差异较大，在应力存在时，陶瓷层容易发生开裂，起不到保护的效果。西北工业大学的李文亚提出采用冷喷技术对铝合金搅拌摩擦焊接头的进行处理，在接头表面制备出耐蚀性较好的纯铝涂层来提高接头的耐蚀性。但由于该方法生产环境限制因素较多且制备的涂层不是冶金结合，导致涂层易发生脱落失效。

激光合金化技术是通过在基材表面加入合金粉末材料，并利用激光高能束加热使合金粉末材料与基体表层一起迅速熔化、凝固，在基材表面形成合金化改性层。因此，本发明对铝合金搅拌摩擦焊接头进行激光合金化处理，获得与基体形成冶金结合的高性能的耐蚀涂层，且高能量的激光束将会使接头近表面存在的结晶相瞬间溶解，从而提高接头的耐蚀性能。

发明内容

本发明提供了一种激光处理提高Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法，使得Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头表面形成与基体冶金结合的高性能的耐蚀层，提高其耐蚀性，该方法简单可行，快速高效。

本发明的技术方案如下：

一种激光处理提高Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法，包括如下步骤：

步骤一：预处理

将待处理的Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头进行预打磨处理，去除接头的飞边和表面氧化膜。打磨宽度为距焊缝中心两侧50±5mm区域，总宽度为100±10mm；打磨长度为焊缝长度，然后用清洗液清洗后风干。

步骤二：配置合金粉末

将合金粉末放入球磨机中进行混合、研磨，时间为4-6小时。

所述的合金粉末由Cu、Mg、Si、Zn和Al组成，其质量比为：Cu：0.2—0.5％，Mg：0.8—2％，Si：0.4—1％，Zn：0.25-0.5％，Al：96—98％。

步骤三：粉末喷涂

将混合好的合金粉末、粘结剂与酒精的混合溶液均匀喷涂在接头正面待处理区域表面，然后烘干，涂层厚度为0.2-0.5mm。

步骤四：激光合金化

采用光纤激光器对接头待处理区域进行搭接扫描，扫描路径为往复式进行，使用功率为800～1500W，圆形光斑直径为4mm，搭接率为50％，扫描速度500～800mm/min，在激光扫描过程中吹送氩气以保护熔池。

步骤五：在对接头一面进行激光合金化处理后，将接头翻面，对另一面接头待处理区域依次进行步骤三和步骤四的操作。

其中，步骤三中采用气动喷枪将混合溶液喷涂在接头上。激光合金化范围为焊缝中心两侧50±5mm区域。

所述的清洗液采用丙酮，粘合剂为漆片。

本发明的方法采用激光合金化制备Al基耐蚀涂层的表面平整，厚度均匀，涂层与基体冶金结合，能够有效提高Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头的耐蚀性，从而提高该合金焊接结构件的可靠性和安全性。

附图说明

图1是7N01-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征示意图。

图2是铝合金搅拌摩擦焊接头激光合金化示意图。

图3是激光合金化路径示意图。

图4是激光合金化表面形貌图。

图5是激光合金化层与基体结合区显微组织图。

图6是激光合金化层显微组织图。

图7是未进行激光合金化接头热影响区晶间腐蚀后横截面形态图。

图8是未进行激光合金化接头热影响区晶间腐蚀后表面形态图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

选取350×150×14mm(长×宽×厚)的7N01-T4铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，图1为7N01-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征示意图，其中热机影响区和热影响区是耐蚀性较差的区域，主要是由于焊接热循环的影响导致晶界η相的分布状态发生了改变。采用激光合金化技术对7N01-T4铝合金搅拌摩擦焊接头进行改性，如图2所示。对搅拌摩擦焊接完成后的试板利用角磨机进行打磨，打磨宽度为焊缝中心线两侧50mm(总宽度约为100mm)，打磨长度为焊缝总长350mm，打磨后用丙酮溶液擦洗干净，风干待用。用电子天平秤取粉末总质量100g(配比为：Cu：0.5％，Mg：1.6％，Si：0.5％，Zn：0.25％，Al：97％)，并进行球磨混合4h，粘合剂为5ml漆片+170ml酒精。将球磨后的粉末与粘合剂进行混合搅拌均匀倒入气动喷枪壶中，调节压力0.3Mpa，均匀对接头正面待处理区域进行喷涂，喷涂厚度为0.2mm，然后放入烘干箱100℃×3h。采用光纤激光器对接头待处理区域进行搭接扫描，扫描路径为往复式进行，如图3所示。使用功率为1000W，圆形光斑直径为4mm，搭接率为50％，扫描速度500mm/min，在激光扫描过程中吹送高纯氩气以保护熔池。在对接头正面进行合金化后，将接头翻面，对另一面接头待处理区域采用相同喷涂工艺；并采用相同工艺进行激光合金化，激光合金化处理后表面形貌如图4。图5为激光合金化层与基体结合区显微组织，合金化层与基体结合方式为冶金结合，合金化层底部与基体结合区域存在大量的细小等轴晶，合金化层底部的组织主要为外延生长树枝状特征。图6为激光合金化层的组织形貌，激光合金化层主要为不规则的点状和针状组织为主。激光合金化完成后，将未进行激光合金化的接头和经过激光合金化的接头进行晶间腐蚀实验，检验其耐蚀性。将两接头浸入57gNaCl+10mLH₂O₂，加蒸馏水至1L中，浸泡48h，实验温度保持35±3℃。实验发现未经过激光合金化处理的接头发生了严重的晶间腐蚀，特别是接头的热影响区，热影响区的表面和横截面均可观察到大量晶间腐蚀特征的形貌，如图7和图8所示。而激光合金化处理后的试样未发现晶间腐蚀现象。

本发明通过激光合金化工艺在Al-Zn-Mg(Cu)铝合金搅拌摩擦焊接头表面制备耐蚀涂层，首先激光束能量密度非常高，冷却速度快，并且是局部加工，对非激光处理部位的影响极小。采用以Al为主的合金粉末，考虑添加材料与基体物理性能较为接近，具有很好的材料相容性，利于获得成型良好，致密的涂层。且采用气动喷枪将混合好的粉末喷涂于接头待处理的区域，可以显著提高生产效率，涂层厚度更均匀。激光采用光纤激光器进行激光合金化主要考虑铝合金对该类型激光器能量的反射较低，激光能量利用率更高，且光纤激光器配合机器人可以大大增加了加工的柔性化程度，对于空间形状较复杂的焊接结构件同样可以处理。