張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

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焊后熱處理對7050鋁合金FSW接頭的影響

張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

（西安航天動力機械廠，西安 710025）

對20mm厚7050-T7451鋁合金進行攪拌摩擦焊和接頭的焊后熱處理。對比分析了熱處理前后接頭的組織和性能。結果表明：在攪拌頭旋轉速度300r/min，焊接速度50mm/min時，接頭抗拉強度為426MPa，延伸率為8.2%。經(jīng)過固溶時效處理后，接頭組織細化，并析出大量第二相粒子，接頭性能進一步提高，抗拉強度達到511MPa，延伸率為8.5%；熱處理前接頭均斷裂于前進側熱影響區(qū)，與接頭的硬度分布有對應關系。熱處理后，接頭斷裂于焊核區(qū)。熱處理前后接頭斷口均表現(xiàn)出韌性斷裂特征。

攪拌摩擦焊；熱處理；微觀組織；力學性能

1 引言

攪拌摩擦焊過程中，焊接區(qū)溫度達到材料的固溶溫度，焊后的自然冷卻過程相當于對接頭進行了退火，會導致接頭力學性能下降。通過焊后熱處理的方法改善接頭的微觀組織可以提高接頭的力學性能。羅傳紅[3]等人認為，F(xiàn)SW過程帶來的熱損傷和機械損傷是導致FSW接頭力學性能低于母材的原因。接頭經(jīng)過熱處理后，熱損傷和機械損傷都在一定程度上得到了改善，接頭強度大幅度提高。王希靖[4]等人對7075鋁合金FSW接頭進行焊后熱處理，熱處理后接頭的綜合力學性能得到提高。董春林[5]等人研究了自然時效對7050鋁合金FSW接頭組織和性能的影響，結果表明長時間的自然時效可以提高接頭組織的均勻化程度，進而提高接頭的力學性能。但長時間的時效過程必然帶來生產(chǎn)周期的延長，因此，該方法不適宜在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應用。

文中通過焊接試驗找到了適用于20mm 厚7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)，并借助組織觀察、力學性能試驗揭示了熱處理前后接頭組織和力學性能的變化。為提高7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能提供了有益的參考。

2 試驗材料及方法

試驗所用7050-T7451鋁合金的化學成分見表1，其抗拉強度為532MPa，延伸率為14%。試板尺寸為300mm×150mm×20mm。

表1 7050-T7451鋁合金化學成分

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)

試驗采用帶螺紋的錐形攪拌頭，材質為W360工具鋼。采用平板對接的方式進行攪拌摩擦焊。焊接工藝參數(shù)：攪拌頭旋轉速度為250～400r/min，焊接速度為30～70mm/min，攪拌頭傾斜角為3°，下壓量為0.3mm，如表2所示。

焊接完成后，按照GB/T2651—1989《焊接接頭拉伸試驗方法》在CMT5305型電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為2mm/min。每塊試板垂直于焊縫方向截取3個拉伸試樣。對抗拉強度最高的接頭進行焊后熱處理，熱處理工藝參數(shù)見表3。

表3 攪拌摩擦焊接頭焊后熱處理工藝參數(shù)

對熱處理前后的接頭分別進行硬度試驗、組織觀察和斷口分析。硬度測試在HX-1000型維氏顯微硬度計上進行，載荷100g，加載時間10s。金相試樣用Keller’s溶液腐蝕后在LEICADMI3000M光學顯微鏡上進行金相組織觀察。掃描電子顯微鏡的型號為Hitachi-S4700。

3 試驗結果及分析

3.1 工藝參數(shù)對接頭拉伸性能的影響

表4 熱處理前接頭的抗拉強度和延伸率

熱處理前不同的焊接工藝參數(shù)下得到的接頭的抗拉強度和延伸率見表4。在攪拌頭旋轉速度為300r/min，焊接速度為50mm/min時，接頭的抗拉強度和延伸率都達到最高，分別為426MPa和8.2%。該組焊接工藝參數(shù)得到的接頭熱處理后的性能列于表5。

表5 熱處理后接頭的抗拉強度和延伸率

由表5可見，經(jīng)過熱處理后，接頭抗拉強度顯著提高，達到511MPa，相比于焊接態(tài)提高了近20%，而延伸率變化不大。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，脫貧后扶工作的開展不再依賴傳統(tǒng)的工作方式，倘再以經(jīng)驗主義思想開展脫貧后扶工作，將無法適應時代的變化。對于國家而言，創(chuàng)新是民族進步的靈魂，是國家興亡發(fā)達的動力，作為一個新時代在基層工作的共產(chǎn)黨員，創(chuàng)新思維是基層工作永葆生機和活力的源泉。因此，解放舊思想，以創(chuàng)新思維開展脫貧后扶工作勢在必行。要加大對基層領導干部新興知識的普及和推廣，引導廣大基層領導干部多思考，多學習，多借鑒，多開展互動交流會，促使基層領導干部在脫貧后扶中永葆活力。

3.2 接頭的微觀組織

熱處理前接頭不同區(qū)域的微觀組織如圖1所示，圖中AS和RS分別表示接頭的前進側和后退側。

圖1 熱處理前接頭的微觀組織

圖1a為焊核區(qū)微觀組織，該區(qū)域是攪拌頭直接作用的區(qū)域，攪拌頭對材料強烈的摩擦作用和攪拌作用，促使焊核區(qū)溫度升高并發(fā)生強烈的塑性變形。晶粒發(fā)生了動態(tài)再結晶，同時，沉淀強化相也重新進行了分配。并且，攪拌頭的旋轉對晶粒有一定的破碎作用。在上述因素的作用下，焊核區(qū)形成了細小、均勻的等軸晶粒。

圖1b、圖1c分別為前進側熱-機影響區(qū)和后退側熱-機影響區(qū)的微觀組織。該區(qū)由變形程度較大的弧形晶粒組成。表明該區(qū)域材料承受了較大的拉伸變形。并且有部分晶粒發(fā)生再結晶，再結晶晶粒沿著變形方向成帶狀分布，并聚積成為原始晶粒的形態(tài)，說明再結晶進行的機制是原始晶粒中的亞晶轉變?yōu)榫Я?，區(qū)域內未發(fā)生再結晶的晶粒保持了變性后的形態(tài)。并且，還有部分晶粒在熱作用下發(fā)生了粗化現(xiàn)象。另外，在前進側熱-機影響區(qū)與焊核區(qū)的分界線較后退側更為清晰，這與攪拌摩擦焊過程中，熱塑化材料的流動狀態(tài)有關[6]。

圖1d為熱影響區(qū)的微觀組織。該區(qū)域是接頭中經(jīng)歷了焊接熱過程但未受到機械作用的區(qū)域。其晶粒與母材相似，但取向發(fā)生了偏轉，并有一定程度的粗化。

圖2為熱處理后接頭各個區(qū)域的微觀組織?？梢钥闯?，相比于熱處理前，接頭各個區(qū)域在熱處理后都析出了大量的第二相粒子，晶粒在一定程度上都變得更加細小。并且，在晶界和晶粒內部都有大量的析出相。

圖2 熱處理后接頭的微觀組織

3.3 接頭的顯微硬度

通過測量接頭不同區(qū)域的顯微硬度可以對比接頭各個區(qū)域的性能，從而找出接頭的薄弱環(huán)節(jié)。圖3所示為熱處理前后接頭顯微硬度的分布情況。從圖3中可以看出，熱處理前，接頭的顯微硬度分布曲線呈“W”形，硬度最低值出現(xiàn)在熱影響區(qū)，約為90HV。焊核區(qū)、熱影響區(qū)和熱-機影響區(qū)的硬度值相比于母材均有所下降。攪拌摩擦焊過程中，焊核區(qū)內的GP區(qū)完全溶解，其終態(tài)組織是由動態(tài)再結晶形成的細等軸晶粒組成，其間分布著η或η’相[7]；熱-機影響區(qū)組織內的GP區(qū)發(fā)生部分溶解，并進行了不完全的動態(tài)再結晶，并且有晶粒和第二相粒子粗化；熱影響區(qū)的組織內的GP區(qū)也有部分溶解，且晶粒和第二相粒子發(fā)生了粗化。這些因素導致了焊核區(qū)、熱影響區(qū)和熱-機影響區(qū)的軟化。而焊核區(qū)的軟化程度較低，這是因為焊核區(qū)晶粒和第二相粒子尺寸較小，有細晶強化和彌散強化的作用。

熱處理后，整個接頭的硬度有不同程度的提高。以熱影響區(qū)的提高最為顯著，為110HV左右。焊核區(qū)、熱-機影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度分布趨于一致。另外，熱處理前后，母材區(qū)域的硬度基本不變，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以考慮用局部熱處理來代替整體熱處理。

圖3 接頭顯微硬度分布

3.4 拉伸試樣斷口分析

接頭熱處理前的拉伸斷裂位置匯總于表4?？梢?，所有試樣均斷裂于前進側熱影響區(qū)，接頭斷裂位置與接頭硬度曲線中硬度最低的區(qū)域對應，即接頭熱處理前，前進側熱影響區(qū)為接頭的薄弱區(qū)。圖4所示為接頭斷裂路徑及其附近的顯微組織。

由圖4a可見，接頭的斷裂面與外力方向呈45°，為剪切斷裂，頸縮較為明顯。由前文組織分析得到的結論可知，熱影響區(qū)組織在焊接過程中僅受到熱循環(huán)作用，而無變形發(fā)生。該區(qū)的組織特征是粗化的晶粒和沿軋制方向分布的粗大的第二相。由圖4b可見大量偏聚的細小第二相顆粒分布于斷口邊緣，部分第二相發(fā)生斷裂，這是因為在拉伸過程中，外力作用下促使接頭中萌發(fā)了顯微空洞，這些空洞繼續(xù)擴展，進而拉斷第二相顆粒導致的。

圖4 接頭熱處理前的拉伸斷裂路徑及顯微組織

圖5 接頭熱處理前斷口形貌

圖5接頭熱處理前斷口形貌，由圖可以看出，熱影響區(qū)斷口呈現(xiàn)韌性斷裂，局部區(qū)域伴有第二相粒子斷裂。斷口處分布有直徑較大，深度較深的韌窩。韌窩的形成機理為孔洞聚集所致。韌窩的尺寸受到第二相粒子尺寸的影響。因此，斷口處大尺寸的第二相粒子導致了直徑較大，深度較深的韌窩的形成。

接頭熱處理后，其斷裂位置為焊核區(qū)。其斷裂路徑和斷口形貌見圖6?？梢姡宇^熱處理后，薄弱區(qū)由前進側熱影響區(qū)變?yōu)楹负藚^(qū)。由圖6b可見，熱處理后接頭斷口有小而淺的韌窩，依然呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。

圖6 接頭熱處理后的拉伸斷裂路徑及斷口形貌

4 結束語

a. 實現(xiàn)了20mm厚的7050-T7451鋁合金的攪拌摩擦焊，在攪拌頭旋轉速度300r/min，焊接速度50mm/min時，接頭抗拉強度426MPa，延伸率8.2%。經(jīng)過固溶時效處理后，接頭性能進一步提高，抗拉強度達到511MPa，延伸率為8.5%。

b. 7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接頭的焊核區(qū)為細小的等軸晶組織，熱-機影響區(qū)為變形程度較大的弧形晶粒，熱影響區(qū)的組織與母材相似，但晶粒取向發(fā)生偏轉。熱處理后各個區(qū)域的晶粒都有不同程度的細化，并析出了大量的第二相粒子。

c. 熱處理前，7075-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接頭前進側熱影響區(qū)的硬度最低，為接頭的薄弱區(qū)。熱處理后，接頭硬度分布趨于均勻，并且薄弱區(qū)變?yōu)楹负藚^(qū)。

e. 拉伸試驗中，所有未經(jīng)熱處理的試樣均斷裂于前進側熱影響區(qū)。而熱處理后的接頭斷裂于焊核區(qū)。但其斷口均有韌窩特征，為韌性斷裂。

1 王建國，王祝堂. 航空航天變形鋁合金的進展(3)[J]. 輕合金加工技術，2013，41(10)：1～13

2 趙衍華，林三寶，申家杰，等. 2014鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織及力學性能[J]. 航空材料學報，2006，26(1)：67～70

3 羅傳紅，彭衛(wèi)平，張建強，等. 焊后熱處理對2219-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2015，36(3)：35～39

4 王希靖，孫桂蘋，張杰，等. 焊后熱處理對高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響[J]. 中國有色金屬學報，2009，19(3)：484～489

5 董春林，張坤，欒國紅，等. 自然時效對7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J]. 焊接學報，2014(4)：15～18

6 毛育青，柯黎明，劉奮成，等. 鋁合金厚板FSW焊縫成形及金屬流動行為分析[J]. 航空學報，2016，37(11)：3546～3553

7 Rhodes C G, Mahoney M W, Bingel W H, et al. Effects of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminum[J]. Scripta Materialia, 1997, 36(1): 69～75

Effects of Post-weld Heat Treatment on Friction Stir Welding Joints of 7050 Aluminum Alloy

Zhang Xin Han Dong Wu Jun Yin Kai

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

The microstructure and property before and after heat treatment of friction stir welded 20mm 7050 aluminum alloy were investigated．The results show that when the tool rotating speed is 300r/min and the welding speed is 50mm/min, the tensile strength can reach 426MPa and the elongation is 8.2%, which are regarded as the most ideal parameters under experimental conditions．After heat treatment, the microstructure of joint was refined and a large number of second phase particles precipitated, the tensile strength can reach 511 MPa．Before heat treatment, the lowest hardness appears in thermomechanically affected zone (TMAZ) of advancing side, and the fracture path appears in this area. After heat treatment, the fracture path appears in nugget zone (NZ). The fractography has a characteristic of dimples of strengthening phase.

friction stir welding；heat treatment；microstructure；mechanical property

張鑫（1990），碩士，材料科學與工程專業(yè)，研究方向：金屬材料成型及控制。

2018-02-01