[发明专利]一种观察搅拌摩擦焊连接面材料流动的方法

说明书

技术领域

该发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体来说是采用与焊接母材达到原子间结合的异种材料标记方法来观察搅拌摩擦焊焊接接头形成机理的可视化方法。

背景技术

搅拌摩擦焊由英国焊接研究所于1991年发明，是一种新型的固相连接方法。该项技术主要运用于铝合金，镁合金，钛合金等运用传统熔化焊方法难以连接的轻质金属。由于同传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有焊接温度低，无飞溅，不需要填充材料等特点，因此由这种焊接方法得到的焊缝接头具有焊接变形小，焊接清理少，力学性能均匀等优点。该项技术已经广泛应用于航空航天，高速轨道列车等工业生产中。由于搅拌摩擦焊接头是依靠塑性状态下材料的交互流动所形成的，因此对于连接面的材料流动特征的研究在理解接头形成机理，焊接参数的优化等方面具有重要意义。

目前已有的材料流动的研究方法主要是在被焊母材中通过机械加工得到分布方向不同的凹槽，在其中嵌入钢球，铜箔，铁粉等材料作为示踪材料。由于示踪材料不会与母材发生反应，并且与母材在颜色，形态等外观特征有明显的区别，因此可以很清楚的观察到它们的变形和分布，并由此推断母材金属的流动。也有通过添加彩泥和利用铝合金表面的氧化物，通过其与母材间差异较大的外貌特征来作为示踪材料。

然而，这种示踪方法也具有一些局限性，使得它们是否能够反映母材的真实流动形态还存有争议。

首先，这些材料并不能反映连接面的形成机理，而只能反映一个整体的流动趋势。标记材料都是通过在母材上加工沟槽或间隙来实现填充的。无论这些沟槽或者间隙是位于焊缝中心，平行于焊接方向还是垂直于焊接方向，示踪材料的流动并不能反映沟槽两侧材料的流动。比如在焊缝中心线放置一块铜箔，铜箔的流动只能反映焊缝中心材料。而焊缝的形成是依靠两侧母材的交互流动所形成的，在焊接之前，焊缝中心线上实际并不存在任何材料。

其次，无论是铜箔，钢球或是铁粉，与母材的连接方式都属于间隙结合。无论是用铝粉还是铝片把之间的间隙填充上，两者之间还是存在很大的距离。这在焊接过程中相当于形成了另一条附加焊缝，而观察到的示踪材料实际上是在自身组成的焊缝中流动的。而流动到母材焊缝中的部分示踪材料，极有可能是其附加焊缝形成的延伸结果，并不是其真正参与到母材的焊缝形成过程中。

再次，由于机械加工精度的限制，导致母材中所加工出的沟槽都较宽。填充的示踪材料也具有一定的厚度和体积，相当于在母材中嵌入了一个阻碍物。在搅拌摩擦焊的材料流动过程中，这些示踪材料即有可能是在母材的带动下运动，也会是对母材的流动产生一定的阻碍作用。这也是为什么在观察焊缝组织时，沿搅拌头旋转方向上，一些铜箔会在一些位置大量聚集，而在另一些位置则没有任何铜箔。这种现象说明焊接过程中，铜箔并未很好的被母材的流动所带动，而是成团成块的停留在一处或是移动的相当缓慢。

最后，彩泥和金属氧化物由于在机械性能上与金属母材存在较大差异，因此在塑性金属中的流动形态也与母材不大相同，在反映母材流动特征的准确度上有待研究。

发明内容

本发明采用在搅拌摩擦焊工件对接面上镀铜，使其与母材金属达到原子间结合，并且利用其不同的颜色，以达到观察焊缝连接面材料运动特征，分析连接面形成机理的目的。可以广泛运用于不同牌号铝合金，镁合金的搅拌摩擦焊接头的研究。

本发明通过如下技术方案予以实现：

一种观察搅拌摩擦焊连接面材料流动的方法，具有如下步骤：

（1）下料

设计焊接接头形式，根据焊接构件的尺寸，运用线切割加工方式对板材进行切割；然后对板材表面的油污进行清洗，重点对连接面进行清洗，并对连接面抛光处理；

（2）镀铜前处理

ａ.除蜡、除油：采用除蜡水或者除蜡液，对连接面进行手工擦洗；其表面形成一层垢膜和氧化膜层，再采用50g/L的氢氧化钠溶液进行碱洗，之后再对生成的黑色膜层置于质量比为3:1的硝酸与氢氟酸中常温下浸泡处理，处理时间为1～2分钟；

ｂ.浸锌：用纯水配置浸锌液1L，浸锌液含有氢氧化钠溶液，浓度为500～550g/L，硫酸锌溶液，浓度是80～100g/L，不足1L时加纯水至1L；对连接面第一次浸锌温度为25～35℃，时间为1～2分钟；第二次浸锌前应采用硝酸退掉连接面表面的氧化膜，第二次浸锌时间少于第一次浸锌时间30～40秒；

（3）电镀铜

ａ.配置镀铜液：通风条件下称取亚铁氰化钾溶液80～100g/L，硫氰酸钾溶液120～140g/L，硫代硫酸钠溶液10～20g/L，有不溶性杂质时需要过滤；