[發明專利]一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法

有效

• 申請號: 201310466134.8
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103521940A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 胥妍;楊新岐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K31/12
• 分類號: B23K31/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張宏祥

技術領域

該發明屬于攪拌摩擦焊技術領域，具體來說是采用與焊接母材達到原子間結合的異種材料標記方法來觀察攪拌摩擦焊焊接接頭形成機理的可視化方法。

背景技術

攪拌摩擦焊由英國焊接研究所于1991年發明，是一種新型的固相連接方法。該項技術主要運用于鋁合金，鎂合金，鈦合金等運用傳統熔化焊方法難以連接的輕質金屬。由于同傳統熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有焊接溫度低，無飛濺，不需要填充材料等特點，因此由這種焊接方法得到的焊縫接頭具有焊接變形小，焊接清理少，力學性能均勻等優點。該項技術已經廣泛應用于航空航天，高速軌道列車等工業生產中。由于攪拌摩擦焊接頭是依靠塑性狀態下材料的交互流動所形成的，因此對于連接面的材料流動特征的研究在理解接頭形成機理，焊接參數的優化等方面具有重要意義。

目前已有的材料流動的研究方法主要是在被焊母材中通過機械加工得到分布方向不同的凹槽，在其中嵌入鋼球，銅箔，鐵粉等材料作為示蹤材料。由于示蹤材料不會與母材發生反應，并且與母材在顏色，形態等外觀特征有明顯的區別，因此可以很清楚的觀察到它們的變形和分布，并由此推斷母材金屬的流動。也有通過添加彩泥和利用鋁合金表面的氧化物，通過其與母材間差異較大的外貌特征來作為示蹤材料。

然而，這種示蹤方法也具有一些局限性，使得它們是否能夠反映母材的真實流動形態還存有爭議。

首先，這些材料并不能反映連接面的形成機理，而只能反映一個整體的流動趨勢。標記材料都是通過在母材上加工溝槽或間隙來實現填充的。無論這些溝槽或者間隙是位于焊縫中心，平行于焊接方向還是垂直于焊接方向，示蹤材料的流動并不能反映溝槽兩側材料的流動。比如在焊縫中心線放置一塊銅箔，銅箔的流動只能反映焊縫中心材料。而焊縫的形成是依靠兩側母材的交互流動所形成的，在焊接之前，焊縫中心線上實際并不存在任何材料。

其次，無論是銅箔，鋼球或是鐵粉，與母材的連接方式都屬于間隙結合。無論是用鋁粉還是鋁片把之間的間隙填充上，兩者之間還是存在很大的距離。這在焊接過程中相當于形成了另一條附加焊縫，而觀察到的示蹤材料實際上是在自身組成的焊縫中流動的。而流動到母材焊縫中的部分示蹤材料，極有可能是其附加焊縫形成的延伸結果，并不是其真正參與到母材的焊縫形成過程中。

再次，由于機械加工精度的限制，導致母材中所加工出的溝槽都較寬。填充的示蹤材料也具有一定的厚度和體積，相當于在母材中嵌入了一個阻礙物。在攪拌摩擦焊的材料流動過程中，這些示蹤材料即有可能是在母材的帶動下運動，也會是對母材的流動產生一定的阻礙作用。這也是為什么在觀察焊縫組織時，沿攪拌頭旋轉方向上，一些銅箔會在一些位置大量聚集，而在另一些位置則沒有任何銅箔。這種現象說明焊接過程中，銅箔并未很好的被母材的流動所帶動，而是成團成塊的停留在一處或是移動的相當緩慢。

最后，彩泥和金屬氧化物由于在機械性能上與金屬母材存在較大差異，因此在塑性金屬中的流動形態也與母材不大相同，在反映母材流動特征的準確度上有待研究。

發明內容

本發明采用在攪拌摩擦焊工件對接面上鍍銅，使其與母材金屬達到原子間結合，并且利用其不同的顏色，以達到觀察焊縫連接面材料運動特征，分析連接面形成機理的目的。可以廣泛運用于不同牌號鋁合金，鎂合金的攪拌摩擦焊接頭的研究。

本發明通過如下技術方案予以實現：

一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，具有如下步驟：

（1）下料

設計焊接接頭形式，根據焊接構件的尺寸，運用線切割加工方式對板材進行切割；然后對板材表面的油污進行清洗，重點對連接面進行清洗，并對連接面拋光處理；

（2）鍍銅前處理

ａ.除蠟、除油：采用除蠟水或者除蠟液，對連接面進行手工擦洗；其表面形成一層垢膜和氧化膜層，再采用50g/L的氫氧化鈉溶液進行堿洗，之后再對生成的黑色膜層置于質量比為3:1的硝酸與氫氟酸中常溫下浸泡處理，處理時間為1～2分鐘；

ｂ.浸鋅：用純水配置浸鋅液1L，浸鋅液含有氫氧化鈉溶液，濃度為500～550g/L，硫酸鋅溶液，濃度是80～100g/L，不足1L時加純水至1L；對連接面第一次浸鋅溫度為25～35℃，時間為1～2分鐘；第二次浸鋅前應采用硝酸退掉連接面表面的氧化膜，第二次浸鋅時間少于第一次浸鋅時間30～40秒；

（3）電鍍銅

ａ.配置鍍銅液：通風條件下稱取亞鐵氰化鉀溶液80～100g/L，硫氰酸鉀溶液120～140g/L，硫代硫酸鈉溶液10～20g/L，有不溶性雜質時需要過濾；