退火處理對AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能的影響★

孫新和，梁言文，郭熊熊，陳 夢，李亞杰

（1.太原科技大學華科學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

鎂合金由于具有較低的密度和較高的比強度等優點，在裝備制造業和軌道交通領域具有很好的應用前景，利用固態的攪拌摩擦焊接方法可以實現鎂合金的良好連接，獲得無氣孔、夾雜等缺陷的冶金結合接頭。但是，攪拌焊接過程也會使結構出現一定的程度的應力集中，從而影響鎂合金接頭的力學性能和外觀變形性。本文通過研究AZ31接頭在退火處理過程中的組織演變，通過調整退火溫度和保溫時間，實現接頭組織和性能的優化，從而提升接頭的綜合力學性能，具有一定的工程研究意義。

1 實驗方法及設備

6 mm厚的壓鑄態AZ31板材為原材料，其成分見表1。原始金相組織如圖1所示，通過垂直于厚度方向切成金相試樣。焊接工藝參數轉速為1400r/min，焊接速度為200 mm/min獲得了無缺陷的焊接頭。然后對接頭進行不同的退火實驗，退火溫度為150～300℃，退貨時間為15～120 min。最后利用萬能試驗機進行力學性能測試。

表1 AZ31鎂合金的元素組成 %

圖1 壓鑄態AZ31鎂合金的原始金相組織

2 實驗結果與分析

圖2所示為壓鑄態鎂合金攪拌摩擦焊接頭焊態及200℃和300℃退火60 min后獲得試樣，其焊縫中心的金相形貌如2所示，退火處理使得該部位的晶粒尺寸變得更加均勻。隨著退火升高，晶粒尺寸出現一定的粗化。由于攪拌摩擦焊接焊合區再結晶程度比較高，退火工藝不會明顯改變該區域的晶粒尺寸，只能一定程度上影響該區域的晶粒均勻性。

圖2 AZ31接頭焊核區的金相組織

接頭通過不同溫度退火60 min后（其過渡區的微觀組織見圖3），通過較低的退火溫度（150℃）處理后，過渡區域的晶粒均勻仍然很差，一些原始的粗大的晶粒團聚在局部區域，見圖3-1。將退回溫度升高到200℃后，見3-2，過渡區的組織分布得到了一些改善，大小晶粒的混晶分布情況得到一定的緩解，一些新產生的細晶在原始晶界處以項鏈狀形貌出現，最大的晶粒尺寸均保持在80μm以下，過渡區寬度增加且晶粒尺寸過渡平緩，一些項鏈狀的晶粒沿著原始粗大晶粒產生。進一步提高退火溫度到250℃和300℃時，部位區域的晶粒出現明顯的粗化現象，如圖3-3和3-4。因此，通過過渡區域的組織分析，表明200℃的溫度較為合適，可以一定程度的擴大過渡區域的總體寬度，并明顯改善界面處的組織均勻性。此外，通過控制退火溫度為200℃來分析不同保溫時間對攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響規律。

圖3 AZ31接頭過渡區在不同退火條件下（保溫60 min）的金相組織

為了研究退火時間對接頭組織和性能的影響，圖4為接頭過渡區在固定退火溫度為200℃不同退火時間下的顯微組織分布。

圖4 AZ31接頭在200℃退火不同時間后前進側界面位置的微觀照片

由圖4可以看出當在較短退火時間（15 min），過渡區組織具有顯現出較低的再結晶程度，見4-1和4-2所示。然而，進一步延長退火時間到120 min后，該區域的部分晶粒會出現明顯的粗化現象，見圖4-3。圖4-4為焊態接頭過渡區組織，可以看出焊態在過渡組織分布及其不均勻，存在明顯界面，再結晶程度較低。因此，我們可以得出結論，從微觀組織的分析來看，針對攪拌摩擦獲得的對AZ31接頭，退火溫度為200℃，保溫時間30 min可以明顯的改善界面組織分布。

圖5所示為接頭單軸拉伸后獲得的曲線，接頭拉伸應力-應變曲線的變化在退火處理前后的呈現出類似的變化特征。結果表明，接頭的強度對退火溫度不敏感，而合適的退火溫度會改善接頭的延伸率。當退火溫度從150℃增加到300℃的過程中，焊接接頭的塑形變形能力出現先升高后降低的變化規律，最適合的退火工藝為200℃+30 min，接頭的伸長率提高到13%。綜合微觀組織演變、拉伸強度和延伸率可以得出結論，AZ31鎂合金在退火工藝為200℃+30 min條件下可以一定程度上提升接頭的延伸率，而不會明顯降低接頭強度。

圖5 接頭在不同退火條件下的應力-應變曲線

3 結論

本文研究了退火處理對壓鑄態AZ31鎂合金接頭組織和力學性能的影響規律，結合微觀組織和力學性能分析結果得出以下結論：

1）通過提高退火溫度，AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的延伸率出現先增加后降低的變化，當進行200℃退火是接頭的延伸率較大。

2）采用200℃不同保溫時間退火處理后發現保溫時間為30 min接頭的組織和性能較好，接頭過渡區的組織分布更加均勻，并一定程度上增加該區域的寬度。

3）AZ31鎂合金在退火工藝為200℃+30 min條件下可以一定程度上提升接頭的延伸率，而不會明顯降低接頭強度。