一种基于Ca-La协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法及其应用

本发明属于轻量化金属材料、异种金属固相连接及新能源汽车结构件制造。

背景技术：

1、随着新能源汽车产业的快速发展，动力电池系统对结构件的轻量化、安全性、承载能力及连接可靠性提出了越来越高的要求。电池托盘作为新能源汽车动力电池系统的重要承载和防护结构，其质量直接影响整车的能量利用效率和续航性能。目前新能源汽车电池托盘多采用铝合金材料，并通过焊接等方式形成整体结构。铝合金具有较好的强度、耐腐蚀性能和成熟的加工工艺，但其密度相对较高。因此，利用低密度镁合金部分替代传统铝合金，有望进一步降低电池托盘质量，实现新能源汽车结构件的进一步轻量化。

2、其中az31镁合金具有较好的塑性变形能力和加工性能，在轻量化结构件中具有较好的应用基础。然而，镁合金易燃烧的特点限制了其在新能源汽车动力电池托盘等对安全性能要求较高的结构中的应用。因此，提高镁合金阻燃性能，同时保持其良好的强塑性，是推动镁合金应用于新能源汽车结构件的重要技术问题。

3、现有研究表明，在az31镁合金中加入ca元素能够改善镁合金的阻燃性能，使镁合金在高温环境下具有更好的安全稳定性，因此ca是提高镁合金在新能源汽车领域应用潜力的重要合金化元素。但是，ca加入后会与合金中的al等元素发生相互作用并形成含ca第二相，例如al2ca相。随着ca元素加入，第二相数量增加，在提高材料高温稳定性及阻燃性能的同时，也可能造成局部硬脆相增多，使材料塑性和延展性受到影响。此外，ca改性后镁合金容易出现粗大晶粒与细小晶粒同时存在的非均匀组织，使不同区域之间的变形协调能力降低，不利于后续塑性加工及异种金属焊接。

4、另一方面，将镁合金与铝合金进行连接能够进一步发挥两种材料的性能优势。镁合金密度低，可用于实现结构轻量化；6061铝合金具有较好的强度、耐腐蚀性能及工程应用基础。采用镁合金和6061铝合金组成异种金属结构，可以在保证结构性能的同时降低整体结构质量。然而，镁合金与铝合金在熔点、晶体结构、热物理性能及塑性流动行为等方面存在较大差异。采用传统熔焊方法进行镁铝异种金属连接时，容易产生焊接缺陷，并且mg与al之间容易发生反应形成脆性mg-al金属间化合物，从而降低接头的塑性及可靠性。

5、搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，在焊接过程中材料不发生整体熔化，而是通过搅拌头旋转产生的摩擦热和机械搅拌作用，使待焊材料处于热塑性状态并发生塑性流动和混合。因此，采用搅拌摩擦焊能够降低传统熔焊过程中熔化和凝固引起的缺陷，并适用于镁合金与铝合金等异种金属连接。

6、但是，镁铝异种金属搅拌摩擦焊仍存在明显的材料流动失配和界面反应问题。由于镁合金与铝合金的热塑性及流动行为不同，焊接过程中容易出现材料流动不均匀、局部缺陷及界面反应等现象。同时，mg与al在焊接热循环及机械搅拌作用下会发生元素扩散和反应，容易形成mg17al12、mg2al3等mg-al脆性金属间化合物。当这些脆性相在界面区域形成较为集中的分布时，会降低焊接接头的承载能力和延性。

7、目前镁铝异种金属搅拌摩擦焊的研究主要集中于优化焊接参数、改变搅拌头结构、调整板材搭接形式或引入中间层等方式。然而，上述方法主要从焊接过程本身进行调控，对镁合金母材自身组织、第二相以及塑性流动能力对焊接行为的影响考虑不足。

技术实现思路

1、本发明要解决现有ca改性az31镁合金存在第二相增多、组织不均匀和塑性下降，以及镁铝异种焊接过程中材料流动不匹配和mg-al脆性金属间化合物形成倾向较高的问题，进而提供一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法及其应用。

2、一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、称取镁合金、mgca15合金及alla10合金，得到原料；

4、二、将原料熔炼及浇注，得到铸锭；

5、三、将铸锭均匀化处理，然后去除表面氧化物，最后热挤压，得到ca-la协同改性镁合金板材；

6、四、将铝合金板材与ca-la协同改性镁合金板材装配形成焊接接头，然后进行搅拌摩擦焊接，得到镁铝异种合金，即完成基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法。

7、制备的镁铝异种合金的应用，它用于制备电动汽车电池托盘。

8、本发明的有益效果是：

9、本发明首先利用ca提高az31镁合金的阻燃性能，并通过形成al2ca等含ca第二相对组织进行调控；在ca改性az31镁合金的基础上加入la元素，这不是采用单一la元素进行合金化。而是通过ca与la的协同作用，对镁合金中al元素的存在状态、第二相形成行为及晶粒组织进行进一步调控。la元素的加入能够促进合金中第二相更加充分地形成，并改变al元素的分配状态，从而降低部分mg-al脆性金属间化合物的形成倾向。同时，la的加入能够改善ca改性镁合金中粗大晶粒与细小晶粒并存的异质组织，使晶粒尺寸和组织分布趋于均匀，从而改善材料的变形协调能力和延展性。具体如下：

10、（1）在az31中加入ca能够改善合金的阻燃性能，为镁合金在新能源汽车电池托盘等安全敏感结构中的应用提供材料基础。

11、（2）在ca改性基础上加入la，可改善ca引起的组织不均匀和塑性损失，使晶粒及第二相分布更加均匀，有利于获得更好的强韧性匹配。

12、（3）ca-la协同改性改善镁合金在搅拌摩擦焊过程中的塑性流动协调能力，减弱镁、铝两侧材料流动差异对接头成形的不利影响。

13、（4）通过控制焊接热输入和搅拌作用，降低mg-al脆性金属间化合物形成连续或粗厚反应层的倾向，从而有利于提高接头的完整性和服役可靠性。

14、（5）搅拌摩擦焊属于固相连接过程，相较于传统熔焊，可避免大范围熔化和凝固过程，有利于降低异种金属熔焊中的气孔、凝固裂纹等问题。

15、（6）采用镁合金和6061铝合金构成混合电池托盘，可在满足局部承载、连接和安全要求的同时减少高密度铝合金材料用量，从结构层面实现轻量化。

16、（7）本发明的合金制备、热挤压和搅拌摩擦焊工艺均具有较明确的工艺窗口，便于进一步进行工程化放大。

17、由此可知，本发明通过ca-la协同合金化，在保留ca阻燃作用的基础上进一步改善ca改性镁合金的组织均匀性、第二相分布和塑韧性，并利用所获得的ca-la协同改性镁合金与铝合金进行搅拌摩擦焊，从而改善镁铝异种金属焊接过程中的材料流动和界面反应，提高镁铝异种焊接接头的综合力学性能，并进一步实现其在新能源汽车镁铝混合电池托盘中的应用。

1.一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤一中所述的镁合金为az31镁合金。

3.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤二中所述的铸锭中ca的质量百分含量为0.5%~1%，la的质量百分含量为0.5%~1%。

4.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤二中在ar与sf6的混合气氛、温度为650℃~710℃及搅拌速度为50r/min~100r/min的条件下，将原料熔炼，然后浇注于预热至100℃~200℃的钢模中，最后自然冷却至室温，得到铸锭；所述的ar与sf6的混合气氛中ar与sf6的流量比为1:(0.3~0.5)；所述的铸锭直径为88mm~95mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤三中所述的均匀化处理具体是在温度为400℃~410℃的条件下，处理20h~24h。

6.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤三中去除表面氧化物得到直径为80mm~85mm的待挤压锭；步骤三所述的热挤压具体是在温度为360℃~380℃及挤压比为(25~31):1的条件下热挤压，得到ca-la协同改性镁合金板材；所述的ca-la协同改性镁合金板材的截面尺寸为(40~50)mm×(5~8)mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤四中所述的铝合金板材为6061铝合金板材或5052铝合金板材；步骤四中所述的铝合金板材与ca-la协同改性镁合金板材的厚度相同。

8.根据权利要求1所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤四中在空气气氛、搅拌头转速为600r/min~1200r/min及焊接速度为40mm/min~200mm/min的条件下，搅拌头沿焊缝移动进行搅拌摩擦焊接。

9.根据权利要求8所述的一种基于ca-la协同改性镁合金的镁铝异种合金搅拌摩擦焊接方法，其特征在于步骤四中所述的焊接接头为对接和搭接中的一种或两种组合；步骤四中所述的焊缝为直线焊缝、曲线焊缝或闭合环形焊缝。

10.如权利要求1制备的镁铝异种合金的应用，其特征在于它用于制备电动汽车电池托盘。