分享：焊前和焊后热处理对2195铝锂合金双面搅拌 摩擦焊接头组织与性能的影响

摘 要:采用双面搅拌摩擦焊方法对6mm 厚2195铝锂合金板进行焊接,对比研究了焊前与焊 后热处理(410 ℃×1h退火+510 ℃×1h固溶+155 ℃×1h人工时效)对接头显微组织及力学 性能的影响。结果表明:焊前热处理的接头焊核区晶粒呈细小等轴状,平均晶粒尺寸约为9.2μm, 而焊后热处理的焊核区晶粒发生了异常长大现象,平均晶粒尺寸达到0.3mm。焊前热处理接头的 抗拉强度比焊后热处理条件下的接头高约4.7%,断后伸长率也得到明显提高,且焊前热处理接头 的拉伸断裂方式为韧性断裂,焊后热处理接头的拉伸断裂方式为脆性断裂。焊前热处理接头的最 大弯曲角度大于焊后热处理接头,具有良好的塑性变形能力。

关键词:铝锂合金;搅拌摩擦焊;热处理;显微组织;力学性能 

中图分类号:TG453.9 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)02-0075-06

0 引 言

近年来,随着航天事业的发展,航天器轻量化对 提高运载能力、降低运输成本具有重要意义,其中研 发新型材料以及结构轻量化成为首要目标。2195 铝锂合金因具有低密度、高强度、较好的高温与低温 性能等特点而成为理想的结构材料,并广泛应用于 航天器中的机身框架、整流罩、火箭贮箱等[1]。然而 铝锂合 金 表 面 极 易 形 成 锂 的 化 合 物,如 LiOH、 Li2CO3 等,在传统熔焊下,这些化合物在高温下分解形成的氢会扩散至熔池中,导致接头中产生气泡 等缺陷[2]。因此,如何连接铝锂合金并保证其接头 强度,成为新的技术难点。 

搅拌摩擦焊(frictionstirwelded,FSW)是 由 英国焊接研究所发明的一种固相焊接技术,具有焊 接强度高、残余应力低以及绿色环保等特点[3]。由 于焊接温度低于固相线温度,在搅拌摩擦焊过程中 可以有效避免焊缝中锂元素的损失[4]。尽管搅拌摩 擦焊能够有效连接铝锂合金,但却无法避免焊接区 域的强度损失。焊接时的热输入使不同区域的强 化沉淀物发 生 粗 化 或 溶 解,导 致 焊 接 接 头 的 显 微 硬度呈“W”型 分 布[5-7]。研 究[8-11]表 明,热 处 理 和 喷丸处 理 都 能 提 高 铝 锂 合 金 FSW 接 头 的 强 度。 ZHANG 等[10]指 出 焊 后 热 处 理 会 提 高 接 头 强 度, 但由于焊核区与热机影响区中晶粒明显粗化而导 致延展性降低。GAO 等[10]研究发现,固溶处理后 大量 T1相和少量 S'(Al2CuMg)相的析 出 是 铝 锂 合金 FSW 接 头 抗 拉 强 度 增 加 的 原 因。LIN 等[11] 研究发现,对 Al-Cu-Li合金的 FSW 接头进行应变 量3%预变形和152 ℃×30h回归再时效处理后, 接头的 屈 服 强 度 增 加 了 27%,抗 拉 强 度 增 加 了 20%,且延展性并未过度降低。戴明亮等[12]通 过 固溶+冷变 形 + 时 效 的 处 理 工 艺,抑 制 了 铝 锂 合 金 FSW 接头焊缝处异常晶粒长大现象的发生,从 而提高了接头的强度。

随着新型材料以及加工技术的不断发展,火箭 燃油贮箱箱底的成形技术已从复杂的瓜瓣组合焊接 成形技术转变为单一板材的冲压成形技术,即板材 搅拌摩擦焊后经过热处理再进行冲压成形。由于板 材焊接后,过大的体积使得热处理较难实施,且焊后 热处理会导致焊缝处产生异常晶粒长大,接头在冲 压过程中易产生裂纹,因此提出将热处理工艺置于 焊接之前,并且在热处理工艺中加入退火步骤,使材 料软化以方便后续的冲压成形。作者对比研究了相 同工艺焊前与焊后热处理(退火+固溶+人工时效) 对2195铝锂合金双面搅拌摩擦焊接头显微组织与 力学性能的影响,以期为2195铝锂合金的工程应用 提供一定的理论支持和参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为尺寸300mm×200mm×6mm 的 2195铝锂合金板,轧制态,其化学成分如表1所示。 试验分为3组,一组仅进行焊接试验,即为 O 态焊 接,一组先进行焊接前热处理再进行焊接试验,最后 一组先进行焊接试验再进行焊后热处理。试验所用 热处理工艺:先进行410 ℃×1h的退火处理,炉冷 至室温,再进行 510 ℃ ×1h 固溶处理,水淬至室 温,最后进行155 ℃×1h的人工时效处理。焊接 前先用砂纸磨去板材表面氧化膜,并用乙醇擦拭除 脂。采用由上海航天设备制造总厂提供的搅拌摩擦 焊设备进行焊接试验,搅拌头形状为锥形带螺纹搅 拌头,焊接倾斜角为2.5°并采用平板对接方式进行 搅拌摩擦焊,正 面 焊 接 完 后 以 相 同 方 向 对 反 面 进 行焊接,基于前期经验设计的具体焊接参数如表2 所示。

用线切割机以焊缝为中心垂直于焊接方向截取 金相试样和拉伸试样,拉伸试样的尺寸如图1所示, 图中 AS为前进侧,RS为后退侧。金相试样经机械 抛光,用 Keller试剂(95mL H2O+2.5mL HNO3+ 1.5mLHCl+1.0mLHF)腐蚀后,采用光学显微镜 观察 显 微 组 织。 按 照 GB/T 228.1-2010,采 用 MJDW-200B型万能试验机对拉伸试样进行室温拉 伸试验,拉伸速度为1mm·min-1,试验结束后采用 Jsm-6390A 型扫描电镜(SEM)观察拉伸断口微观 形貌。按照 GB/T232-2010,在焊接接头处以焊 缝为中心垂直于焊接方向 截 取 尺 寸 为 186 mm× 30mm×6mm 的弯曲试样,采用 Z100KN 型电子 万能试 验 机 进 行 三 点 弯 曲 试 验,支 辊 间 距 离 为 100mm,测试试样的最大弯曲角度。

2 试验结果与讨论 

2.1 对显微组织的影响

不同双面搅拌摩擦焊接头的宏观形貌相似,均 可分 为 4 个 区 域,即 焊 核 区 (WNZ)、热 机 影 响 区 (TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)。由图2 可以看出,O 态焊接条件下焊缝整体呈“哑铃型”, 但后退侧交界线不清晰。焊前热处理接头的宏观形 貌与 O 态焊接的宏观形貌相似,但是其焊核区域的 面积较小。焊后热处理焊接接头焊核区面积与 O 态 焊 接接头相似,同时在宏观形貌中可观察到晶粒异常晶粒长大现象。

以2# 工艺下焊接得到的接头为例,对焊前和焊 后热处理接头不同区域的显微组织进行观察。由图 3可以看出:焊前热处理接头热影响区的晶粒因热 循环的作用而粗化,平均晶粒尺寸为12.6μm;热机 影响区晶粒受到搅拌针的机械搅拌作用以及焊接热 输入的影响,晶粒发生扭曲变形,以向上流动的方式 旋转和拉长;焊核区晶粒分布致密且细小,呈等轴晶 粒状,平均晶粒尺寸约为9.2μm。通过退火处理可 消除母材的加工硬化,使强度达到较低状态;固溶处 理可使母材发生再结晶,未溶第二相颗粒减少,晶粒 尺寸均匀;人工时效处理后接头中析出相数量明显 多于未进行热处理接头,且弥散分布[13]。在热输入 和机械搅拌作用下搅拌摩擦焊接头焊核区第二相粒 子重新析出,晶粒细小且分布均匀。同时,固溶态钢 板的硬度较低,在搅拌摩擦焊接过程中有较好的塑 性流动能力,从而减少了焊接缺陷。

由图4可以看出:焊后热处理接头热影响区的 晶粒呈等轴状,晶粒发生粗化现象,平均晶粒尺寸约 为14.3 P m,且个别晶粒发生异常长大的现象;热机 影响区的晶粒在机械搅拌及焊接热输入的影响下发 生粗化以及扭曲变形,沿焊缝两侧的晶粒流动方向 分布;焊核区晶粒出现了明显的异常长大现象,平均 晶粒尺寸达到0.3mm,且主要集中于上下轴肩与板 材接触位置。由于第二相粒子的不均匀分布和不均 匀溶解,基体中微粒较少的晶粒在失去第二相粒子 钉扎作用下发生长大。晶粒异常长大的过程是不连 续的,第二相粒子、织构、表面效应和溶质偏析导致 局部边界的驱动力和流动性不同,多边界的大晶粒 在稳定的小晶粒周围形成且不断吞噬周围细小晶 粒,是导致晶粒异常长大的重要因素[14]。

2.2 对拉伸性能的影响
O态焊接接头由于母材处于全软状态而具有良好的塑性,其平均抗拉强度为189MPa,平均屈服 强度为127.3MPa,平均断后伸长率为15%。由图 5可知:焊后热处理接头,由于焊核区晶粒异常长 大,不同焊接参数下接头的抗拉强度比 O 态焊接接 头提高了 84% ~110%,屈服强度提高了 100% ~ 120.7%,断后 伸 长 率 降 低,仅 为 O 态 焊 接 接 头 的 30%~60%;焊前热处理接头的抗拉强度比 O 态 焊接接头提高了94%~115.8%,屈服强度提高了 80.7%~120.7%,断后伸长率比 O 态焊接接头略 有提高。焊前热处理接头的抗拉强度以及断后伸 长率都高于 焊 后 热 处 理 接 头,其 中 抗 拉 强 度 提 高 约4.8%,断后伸长率提高了50%,这是因为焊前 热处理接头焊核区的晶粒细小,析出相分布均匀。 但是焊前热处理接头的屈服强度低于焊后热处理 接头的屈 服 强 度,尤 其 是 在 焊 接 工 艺 4# 下,降 低 了16.7%。 

由图6可以看出:焊前热处理接头断裂处存在 明显颈缩现象,为韧性断裂的明显特征;焊后热处理 接头的断裂位置均在焊核区与热机影响区,说明母 材区的抗拉强度高于焊缝,同时断裂处未发现明显颈缩现象,且断口与拉伸方向呈45°,是脆性断裂的 表现特征。由图7可以看出:焊前热处理接头拉伸 断口中存在大量韧窝,说明断裂形式为典型的韧性 断裂;焊后热处理接头拉伸试样沿晶界断裂,发生典 型的晶间断裂,说明断裂形式主要为脆性断裂。

2.3 对弯曲性能的影响

由图8可知,对焊前热处理接头进行三点弯曲 时,仅有1# 工艺下接头焊缝表面出现轻微裂纹,其 余工艺下接头中均未出现宏观裂纹,具有良好的塑 性。在三点弯曲过程中,焊前热处理接头焊核区的 晶粒细小且致密,原子间结合力较大,具有较大的裂 纹起裂和扩展的阻力。在对焊后热处理接头进行三 点弯曲时,焊缝金属发生明显变形,且沿着焊核区中 线出现明显裂纹。焊核区中异常长大的晶粒影响其 内部位错运动的距离和阻力,从而形成位错塞积而 导致应力集中,而热机影响区中被拉长的较大尺寸 晶粒对于裂纹扩展的阻力较小,裂纹扩展更加容易, 从而降低了接头的弯曲强度和塑性变形能力[15]。

由图9可以看出,焊前热处理接头的平均最大 弯曲角度为76°,而焊后热处理接头的平均最大弯 曲角度为26.6°,说明焊前热处理接头的塑性变形能 力优于焊后热处理接头。 

3 结 论

(1)经退火 + 固溶 + 人工时效的焊前热处理 后,2195铝锂合金双面搅拌摩擦焊接头焊核区的晶 粒呈等轴晶粒状,平均晶粒尺寸为9.2μm。经相同 工艺焊后热处理后焊接接头焊核区发生了异常晶粒 长大现象,平均晶粒尺寸达到0.3mm。 (2)焊前与焊后热处理均能有效提高焊接接头 的抗拉强度,且焊前热处理接头的抗拉强度比焊后 热处理接头高约4.8%。焊前热处理接头的断后伸长率较焊态接头相比有所提高,而焊后热处理接头 的断后伸长率大幅降低。焊前热处理接头具有良好 的塑性,拉伸断裂方式为韧性断裂,而焊后热处理接 头的断裂方式为脆性断裂。焊后热处理焊接接头三 点弯曲的最大弯曲角度小于焊前热处理接头,塑性 变形能力较差。 

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