熱處理工藝對7075鋁合金FSW焊接接頭力學性能的影響

李穎

摘 要：本文通過對7075鋁合金FSW焊接接頭進行固溶處理和時效處理，對比熱處理前后焊接接頭的力學性能。結果表明：焊接接頭抗拉強度從454 MPa提升到486 MPa，延伸率從5.9%提升到6.3%;焊后熱處理的焊接接頭硬度有整體性提高，熱處理前硬度值呈現“W”形分布特征被減弱;熱處理后焊接接頭斷口出現在焊核區，焊接接頭前進側熱影響區軟化現象得到了改善。

關鍵詞：熱處理;7075鋁合金;焊接接頭;力學性能

中圖分類號：TG453.9文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0045-03

Abstract： This study carried out solution treatment and aging treatment on 7075 aluminum alloy FSW welded joints， and compared the mechanical properties of welding joints before and after heat treatment. The results showed the tensile strength of welded joints increased from 454 MPa to 486 MPa， the elongation rose from 5.9% to 6.3%. After heat treatment， the hardness of welded joints achieved overall increase， while the “W” distribution of hardness value was decreased. The fractures of welded joints lied in weld nugget zone， and the strain softening in A-HAZ was improved after heat treatment.

Keywords： heat treatment;7075 aluminum alloy;welded joints;mechanical properties

鋁合金是航空航天中常用的結構材料，其最主要的特點是固溶處理后塑性好，可進行熱處理，且熱處理后強化效果好，具有良好的機械性能，易于加工，耐磨性好[1-3]。

國內外學者對鋁合金FSW焊接工藝、接頭組織及力學性能進行了大量研究[4-7]。通過研究發現，設計合理的旋轉速度與焊接速度可以得到優良的攪拌摩擦焊接接頭，但焊后的焊接接頭硬度和抗拉強度都較母材的硬度、抗拉強度有所下降。顏澤鋼[8]研究了焊后熱處理對6063-T6鋁合金攪拌摩擦焊組織性能的影響;孫喜海等[9]研究了焊后熱處理對6A02-H112鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響;宋東福等[10]對4組6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭進行焊后人工時效處理，采用OM和SEM等分析了時效處理工藝對接頭的組織和力學性能的影響規律和機制;Chaitanya S.等[11]研究了不同的焊后熱處理工藝對AA7039鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響。本文擬對10 mm厚7075鋁合金平板攪拌摩擦焊焊接接頭進行熱處理，對比熱處理前后焊接接頭的力學性能。

1 試驗材料與方法

本次試驗選取旋轉速度為700 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件a，旋轉速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件b，旋轉速度為1 200 r/min、焊接速度為90mm/min的試件c制作金相試件，探究熱處理工藝對焊接接頭顯微硬度的影響;選取試件b制取拉伸試件，探究熱處理后焊接接頭的拉伸性能。按照金屬材料熱處理試驗的相關國家標準，使用SX3-2.5-10陶瓷纖維電阻爐（見圖1）對金相試件與拉伸試件進行熱處理。固溶溫度為470 oC，固溶處理時間為60 min，然后進行水淬，再放入空氣爐進行時效處理，時效溫度為120 oC，時效處理時間為24 h，最后進行空冷。使用HVS-1000型數顯顯微硬度計對熱處理后的金相試件進行維氏硬度測試試驗;使用WD-P6105微機控制電子萬能材料試驗機對熱處理后的拉伸試件b進行拉伸測試，拉伸速度為0.5 mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 熱處理工藝對顯微硬度的影響

圖2是熱處理前后鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭不同組織維氏顯微硬度值的對比圖。從圖2可以看出，熱處理后接頭的硬度明顯提高。熱處理前，焊接接頭顯微硬度值的分布呈“W”形，且焊核區的硬度比熱機影響區的熱影響區值高。熱處理后，焊接接頭各個區域的硬度值相差不大，“W”形硬度值分布特征被減弱，焊后前進側熱機影響區產生的軟化現象得以修復，鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的整體性硬度被提高。這是由于長時間的時效處理使焊接接頭中的過飽和固溶體被析出且均勻地分散到焊接接頭的各個區域，第二相粒子趨于均勻化。

2.2 熱處理工藝拉伸性能的影響

圖3是未熱處理試件c發生斷裂位置的宏觀圖。由圖3可知，斷口處位于前進側熱影響區，這與之前的研究結果維氏硬度值出現的最低點是前進側熱機影響區對應，證明了焊接接頭組織接頭軟化區域出現在熱機影響區。焊接接頭前進側熱機影響區軟化會影響鋁合金攪拌摩擦焊的力學性能。

通過試驗測得：試件c熱處理前的抗拉強度為

454 MPa、延伸率為5.9%;熱處理后抗拉強度得到提高，抗拉強度最大值為486 MPa，斷后延伸率為6.3%。圖4是熱處理前后試件c應力-應變曲線對比圖。

圖5是試件c熱處理后焊接接頭斷裂位置的宏觀圖。由5圖可知，熱處理后接頭斷裂的位置位于焊核區，而不是在前進側熱影響區，證明熱處理后前進側熱影響區的軟化現象被改善。斷口較熱處理前平坦，呈現出的“頸縮”現象不明顯，這是固溶處理之后，焊接接頭中形成過飽和固溶體，在時效處理后，過飽和固溶體與第二相粒子被析出，并且均勻地分布在焊接接頭的各個區域，所以焊接接頭的抗拉強度被提高。斷口發生在焊核區，這是由于熱處理前“S”形曲線中的氧化物被攪拌針攪聚在焊核區，焊核區因此成為焊接接頭強度最低的區域。

3 結論

通過試驗可以得出以下結論：對焊接接頭進行熱處理后，焊接接頭硬度有了整體性提高，熱處理前硬度值呈現“W”形分布的特征被減弱;焊接接頭抗拉強度從454 MPa提升到 486MPa，延伸率從5.9%提升到6.3%;焊接接頭斷口出現在焊核區，焊接接頭前進側熱影響區軟化現象得到了改善。

參考文獻：

[1]廖艷.攪拌摩擦焊的研究現狀及前景展望[J].山東工業技術，2018（5）：9.

[2]Joelj D.The friction stir welding advantage [J].Welding Journal，2001（5）：30-34.

[3] Shigematsu I ， Kwon Y J ， Suzuki K ， et al. Joining of 5083 and 6061 aluminum alloys by friction stir welding[J]. Journal of Materials Science Letters，2003（5）：353-356.

[4]王廷.7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[5]趙軍軍，張平，王衛欣，等.7A52鋁合金攪拌摩擦焊的焊縫成形[J].焊接學報，2005（5）：61-64.

[6] 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（1）：69-75.

[7]崔少朋，朱浩，郭柱，等.焊后熱處理對鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2015（4）：104-108.

[8]顏澤鋼.焊后熱處理對6063-T6鋁合金攪拌摩擦焊組織性能的影響[J].熱加工工藝，2018（13）：223-226.

[9]孫喜海，柴鵬，曲文卿.焊后熱處理對6A02-H112鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響[J].熱加工工藝，2016（11）：83-85，89.

[10]宋東福，戚文軍，梁濤.焊后時效對6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響[J].稀有金屬，2012（4）：535-540.

[11]Sharma C ， Dwivedi D K ， Kumar P . Effect of post weld heat treatments on microstructure and mechanical properties of friction stir welded joints of Al–Zn–Mg alloy AA7039[J]. Materials & Design，2013（1）：134-143.