一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，属于材料连接和表面涂层技术领域。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的绿色无污染的焊接方法，它是1991年由英国焊接研宄所(The Welding Institute, TWI)发明的，专利号为(US 5460317)，是一种新型固相连接技术，焊接过程中无需焊剂和焊料，只是通过搅拌头的转动和按照事先设置好的路径移动，在摩擦力和下压力及剪切力作用下，产生一定的热量，使得搅拌头经过的热影响区的金属材料呈现固溶状态(低于熔点)，而热影响区是待焊工件中需要连接的区域，搅拌摩擦焊接结束后，热影响区内的金属经过流动，组织结构发生变化，最终使得两块板材完成了连接。
[0003]对接焊焊接过程中，由于两块板材是同种材料，所以搅拌摩擦焊结束后，热影响区内的金相组织变化不是很明显，接头的性能同普通焊接相比要好，但是拉伸强度只能达到母材的60 - 70%，耐腐蚀性和韧性都比母材要差。
[0004]化学镀是在不通电的情况下，利用氧化还原反应在具有催化表面的镀件上，获得金属合金的方法。它是新近发展起来的一门新技术。它是一种操作方便、工艺简单、镀层均匀的表面处理技术，在操作过程中，不需要外接电源，制备简单，成本低廉。
[0005]稀土元素被誉为工业界的味精，因为其自身特殊的电子层结构，使得它在磁性、光电、催化等领域都表现出了优异的性能，在传统的化学镀液中添加适宜种类和适量的稀土元素，可以改善镀层薄膜的物理、化学及磁性能，添加了稀土元素的化学镀液可以提高镀液的稳定性和沉积速度。
[0006]稀土元素能够改变Cr，Ni和Cu电镀工艺镀液中的沉积速率和镀液稳定性等参数。另外，这些元素还可提高合金的物理性能，如拉伸强度，塑性、韧性以及抗疲劳性能。
[0007]通过对板材对接面进行化学镀处理，改变热影响区的组织结构，提高材料的焊接性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的:
本发明的目的在于提供一种提高焊接质量的搅拌摩擦焊方法，该方法通过将铝合金板材上进行稀土镧掺杂的化学镀镍处理实现。
[0009]本发明的技术方案:
一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤:
步骤一:配备化学镀液，其实验装置如图1所示，镀液包括如下成分(单位为g.L-1): 硫酸镍(祖504*6!120)25
次亚磷酸钠(NaH2PO2.H2O)20 醋酸钠(NaCH3CO0.H2O)5
柠檬酸钠(C6H5Na3O7.2H20) 5 氧化镧(La2O3)0.3
用稀NaOH溶液将镀液的初始pH值进行调整，调整至4~5。使用去离子水清洗玻璃器皿。使用数字控制恒温器控制镀液温度为45± 1°C。
[0010]步骤二:对铝合金板材进行预处理，对铝合金板材进行碱洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一烘干，然后表面用1000#砂纸打磨，再用金相砂纸细磨，作为化学镀镍溶液的基体。
[0011]步骤三:将板材除对接面外的其余各面进行处理，处理方法为将板材表面用透明胶粘紧一将镀液池放入恒温器内加热一将板材放入镀液池中进行化学镀处理一小时一取出静置一水洗一干燥备用。
[0012]步骤四:对经过化学镀处理后的板材进行表面清洁处理，待焊。
[0013]步骤五:将两块板对接，有镀层的一面为对接面，用夹具装卡在工作台上，进行搅拌摩擦焊接。
[0014]步骤六:将连接件线切割成标准拉伸试样，截取横截面腐蚀打磨，通过扫描电镜观察断裂面和横截面观察表面形貌和金相组织。
[0015]优选的，所述化学镀镍溶液中的稀土镧元素含量为0.3%，焊后接头力学性能最优。
[0016]优选的，所述镍和镧镀层采用扫描电镜(ZEISS SUPRA55型场发射)进行表面形貌观察。
[0017]优选的，实验用N1-La镀层是在板材尺寸10mmX 200mmX Imm的销合金基体上沉积获得，沉积在板厚方向，最佳锻层厚度为20 μ m。
[0018]优选的，首先初步确定化学镀的配方，然后为获得更好的镀层，采用正交试验分析法，以镀层的表面形貌、镀速、稳定时间三因素确定试验方案，最后得到优化的镀液配方。
[0019]所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，配备化学镀液；铝合金板材尺寸为10mmX 200mmX 1mm，表面用1000#砂纸打磨，再用金相砂纸细磨，作为化学镀镍溶液的基体；制备稀土镧掺杂的镍基镀层的过程为:对铝合金板材进行碱洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一将板材表面用透明胶粘紧一将板材放入容器中进行化学镀处理60分钟一取出静置一水洗一干燥备用；对经过化学镀处理后的板材进行表面清洁处理；将两块板对接，有镀层的一面为对接面，用夹具装卡在工作台上，进行搅拌摩擦焊接。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的化学镀实验装置图；
图2为待焊件示意图；
图3为焊接热影响区扫描电镜图。
[0021]图4为加La后的合金固溶组织。
[0022]图5为室温拉伸断口形貌。
[0023]【具体实施方式】:
实施例1:首先按照技术方案中所述的比例准备化学镀液，将称量好的醋酸钠和次亚磷酸钠放入烧杯中，放入少量水，搅拌均匀；将称取好的硫酸镍和柠檬酸钠放入混合酸中，加热搅拌至完全溶解，最后将稀土镧的氧化物放入化学镀液中，并测定溶液的PH值，用配制好的氢氧化钠溶液调pH值到3~5。使用数字控制恒温器控制镀液温度为45± 1°C。
[0024]铝合金板材型号为6061，尺寸为10mmX 200mmX 1mm，对其进行预处理，步骤为碱洗除油一水洗一酸洗活化一水洗一烘干，然后表面用1000#砂纸打磨，再用金相砂纸细磨，作为化学镀镍溶液的基体。
[0025]将板材除对接面外的其余各面进行处理，处理方法为将板材表面用透明胶粘紧一将镀液池放入恒温器内加热一将板材放入镀液池中进行化学镀处理一小时一取出静置一水洗一干燥备用。
[0026]对经过化学镀处理后的板材进行表面清洁处理，待焊。将两块板对接，有镀层的一面为对接面，用夹具装卡在工作台上，使用北京赛福斯特技术有限公司生产的搅拌摩擦焊机进行搅拌摩擦焊接实验，将连接件线切割成标准拉伸试样，截取横截面腐蚀打磨，通过扫描电镜观察断裂面和横截面观察表面形貌和金相组织。
[0027]图3a为铝合金的室温显微组织，由灰白色的基体初生相组成，其晶界的组成包括呈网状的相和弥散分布的颗粒相，图3b是加入稀土元素La后合金的显微组织，与图3a相比，La的加入使得合金的组织结构发生了很大的改变，晶界处原来网状结构的合金相也发生了变化，晶界变得模糊，晶粒内部黑色颗粒相变得更加弥散，同时出现了呈多边形结构的新相，它们位于晶粒内部和晶界处。
[0028]图4是固溶后的铝合金的显微图片，从两图中可以看出，加入La后铝合金的晶粒尺寸得到明显的细化，利用专用软件测量后可知晶粒尺寸由未加入La时的约240Mm降至约150Mm，降低了 37.5%。
[0029]添加La前后的铝合金的拉伸试样断口形貌见图5，未添加La的试样断口较平齐且光亮，属准解理断口，由大量的撕裂棱和准解理台阶组成，局部区域有少量的小韧窝，两图相比，加入La的铝合金断口形貌出现更多的尺寸较大、深度较深的韧窝，并且撕裂棱比较细小，韧窝通过撕裂棱相互连接起来，从图5中标记S处可以明显看到第二相粒子，这对断面中韧窝的比例和形状都有一定的影响，这说明La的加入能够改善合金的塑性。
【主权项】
1.一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在铝合金板材的基体侧面进行化学镀处理，进而改变焊缝区的组织，提高接头性能。
2.根据权利要求1所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:化学镀液为含稀土镧的化学镀镍溶液。
3.根据权利要求1所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:该化学镀镍溶液的主要成分为，La2O3 0.3g，NiSO4.6H20 25g/L?
4.根据权利要求1所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:该工件镀镍过程为，将被镀制件浸入添加了稀土镧的混合溶液内，在一定酸度和温度下发生变化，溶液中的镍离子和镧离子被次磷酸二氢钠还原为原子而沉积于工件表面上。
5.根据权利要求1所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:预处理方法简单，化学镀液制备容易。
6.根据权利要求1所述的一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，其特征在于:通过搅拌摩擦焊接方法对两块镀镍的铝合金板材成功施焊后，分析焊缝区域的金相组织和断裂后接头形貌发现，晶粒尺寸得到明显的细化，连接区的韧性、强度、塑性和耐腐蚀性都得到了提高。
【专利摘要】本发明涉及一种稀土镧掺杂的镀镍铝合金板材的搅拌摩擦焊方法，首先配置含稀土镧的化学镀镍溶液，稀土元素镧（La）以其氧化物的形式存在，将待焊铝合金板材的侧面进行施镀，施镀结束，铝合金板材对接面获得10um~100um厚度的Ni-La2O3镀层，然后将含镀层的两块铝合金板材对接固定在工作台上，通过搅拌摩擦焊的方法搅拌连接在一起，冷却后通过扫描电镜观察焊缝区的合金组织，发现增加了Al11La3相，它们沿着晶界呈弥散分布，使晶粒结合更为紧密，焊缝区域晶粒得到很好的细化，能防止晶间变形，焊后对接头力学性能进行测试，测试结果表明连接区的韧性、强度、塑性和耐腐蚀性都得到了提高。
【IPC分类】B23K20-24, B23K101-18, B23K20-12, C23C18-36, B23K20-233, B23K103-10
【公开号】CN104772560
【申请号】CN201510108973
【发明人】张明
【申请人】临沂大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月13日