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嘉峪檢測網 2021-09-03 21:02
對5mm厚Cu-Cr-Zr合金板進行攪拌摩擦對接焊，在不同時效溫度(400，450，500℃)下對接頭進行熱處理，研究了熱處理對接頭組織和力學性能的影響。結果表明：焊后熱處理后，焊核區晶粒尺寸未發生明顯變化，熱機影響區彎曲變形的晶粒基本消失；焊后熱處理后，在焊接過程中固溶至基體中的強化相重新析出，但500℃焊后熱處理后，接頭出現過時效現象；焊后熱處理后接頭的硬度和抗拉強度均明顯提高，硬度呈“W”形分布，最低值出現在熱機影響區。450℃焊后熱處理后接頭的硬度和抗拉強度均最大，焊核區的硬度達到母材的83%，接頭的抗拉強度為270MPa，比焊后熱處理前的增加了50MPa。
1、試樣制備與試驗方法
試驗材料為Cu-Cr-Zr合金板，在銑床改裝的攪拌摩擦焊機上進行對接試驗，攪拌頭為切三邊螺紋錐形攪拌頭，這種結構能加強攪拌頭對母材的攪拌作用，增強材料塑性流動，從而有助于形成良好焊接接頭。攪拌頭的軸肩直徑、攪拌針頂部直徑、攪拌針底部直徑以及攪拌針長度分別為20，8，5，4.8mm。焊后，分別在400，450，500 ℃下對焊接接頭時效2h后空冷。
在焊后熱處理前后的焊接接頭中，以焊縫為中心垂直于焊接方向截取金相試樣，對試樣進行打磨、拋光，用由FeCl3、C2H5OH、濃HCl組成的溶液腐蝕后，采用倒置光學顯微鏡(OM)觀察截面顯微組織。采用維氏硬度計在接頭截面上以焊縫為中心向兩側取點測硬度，測試間距為1mm，加載載荷為1N，保載時間為10s。按照GB/T 228.1—2018，在焊后熱處理前后的焊接接頭中，以焊縫為中心垂直于焊接方向截取拉伸試樣，拉伸試樣的標距為100mm，采用電子拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.5mm·min-1。拉伸試驗后，采用場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌。
2、試驗結果與討論
2.1 顯微組織
Cu-Cr-Zr合金攪拌摩擦焊接頭熱處理前后的宏觀形貌相似，以焊后熱處理前的焊接接頭為例，對其截面形貌進行觀察。圖1中AS表示前進側，RS表示后退側，NZ表示焊核區，TMAZ表示熱機影響區，HAZ表示熱影響區，BM為母材。由圖1可以看出，在軸肩與攪拌針的作用下，焊接接頭可劃分為母材、焊核區、焊核區兩側的熱機影響區以及熱機影響區以外只受熱作用的熱影響區。焊縫(焊核區和熱機影響區)頂部寬度與軸肩直徑相近，底部寬度與攪拌針底部直徑相近。焊縫橫截面整體形貌呈盆狀，無明顯的“洋蔥環”特征，這是因為焊接過程中，一部分發生塑性變形的金屬受切邊平臺邊緣的擠壓作用向后方移動，做相對的水平移動，致使該部分金屬在厚度方向上的流動趨勢變緩。
圖1. 焊后熱處理前接頭的截面形貌
由圖2可知：焊后熱處理前接頭焊核區組織為細小的等軸晶，這是由于在攪拌針強烈攪拌作用下，焊核區溫度較高，使得晶粒發生動態再結晶；在焊核區晶界和晶內分布著一些不規則的析出相顆粒。熱機影響區不受攪拌針的直接攪拌作用，焊接熱輸入低，部分晶粒發生回復和動態再結晶；在攪拌頭旋轉與塑性金屬遷移產生的剪切力作用下，熱機影響區組織發生一定程度的彎曲變形,晶粒明顯拉長，晶粒尺寸小于焊核區的，并且在晶界和晶內同樣分布著一些析出相顆粒，尺寸與焊核區的相當，但數量更多且分布更均勻。母材為粗大的板條狀組織，在晶界和晶內不均勻分布著大量的粗大析出相顆粒。由于銅的導熱性較好，焊接過程中產生的大量熱通過焊核兩側擴散出去，焊縫邊緣溫度較低，金屬受熱均勻，因此熱影響區組織與母材的類似。
圖2. 焊后熱處理前接頭不同區域的顯微組織
對比圖2和圖3可以看出：與焊后熱處理前的接頭相比，經不同溫度焊后熱處理后，焊核區組織的晶界更加明顯，晶粒尺寸未發生變化，同時析出相的數量明顯增多，并且隨著溫度升高，析出相的分布密度增加。焊接過程中的溫度較高，析出相溶解于基體中，經時效后重新析出；當時效溫度較低時析出相析出不充分，隨著時效溫度的升高，析出驅動力增大，析出相析出更充分，但當時效溫度升高到500℃時，析出相發生粗化，接頭出現過時效現象，此時析出相與基體的共格關系受到破壞。熱處理后，熱機影響區發生彎曲變形的晶粒基本消失，晶粒尺寸略微增大，這是由變形能釋放導致晶粒粗化造成的；經過焊后熱處理后，熱機影響區的析出相數量明顯增多。
圖3. 不同溫度焊后熱處理后接頭不同區域的顯微組織
2.2 硬度與拉伸性能
由圖4可知，焊后熱處理前接頭焊縫區域發生軟化，硬度呈“U”形分布，硬度最低值出現在焊核區，僅為75HV，相比母材降低了69HV。經不同溫度焊后熱處理后，接頭顯微硬度均有明顯提高，且呈“W”形分布，焊核區硬度遠高于熱機影響區的，且比焊后熱處理前的提高了約45HV，溫度450℃下的硬度最高，約為120HV，為母材硬度的83%。接頭顯微硬度隨熱處理溫度升高先增大，這是由于焊接過程固溶于基體的析出相經熱處理后重新析出，阻礙位錯運動作用降低，當熱處理溫度高于450℃后又降低，這是由于焊后熱處理溫度過高時，接頭出現過時效現象，重新析出的強化相發生粗化長大。在450℃熱處理后接頭的硬度最高。
圖4. 焊后熱處理前后接頭的顯微硬度分布
焊后熱處理前以及400，450，500℃焊后熱處理后接頭的抗拉強度分別為220，264，270，260MPa?？芍?，焊后熱處理后接頭抗拉強度明顯提高，450℃焊后熱處理后，接頭的抗拉強度最大，比焊后熱處理前接頭的增加了50MPa。
拉伸試樣均在焊核區發生斷裂，并且有明顯的頸縮現象。由圖5可以看出：焊后熱處理前拉伸斷口中存在較多的大尺寸等軸狀韌窩，斷裂方式為韌性斷裂；不同溫度焊后熱處理后拉伸斷口中的韌窩尺寸較小且深度較淺，說明經過焊后熱處理后焊縫的韌性降低。
圖5. 不同溫度焊后熱處理前后拉伸試樣的斷口形貌
3、結 論
(1) 與焊后熱處理前的接頭相比，Cu-Cr-Zr合金攪拌摩擦焊接頭經不同溫度焊后熱處理后，焊核區晶粒尺寸未發生明顯變化，熱機影響區彎曲變形的晶粒基本消失；經焊后熱處理后，固溶于基體中的析出相重新析出，但是500℃焊后熱處理后接頭出現過時效現象，析出相發生粗化長大。
(2) 焊后熱處理前接頭的硬度呈“U”形分布，最低值出現在焊核區；焊后熱處理后接頭的硬度明顯提高，呈“W”形分布，最低值出現在熱機影響區，焊核區硬度比焊后熱處理前的提高約45HV；接頭硬度隨著焊后熱處理溫度的升高先增大后降低，450℃焊后熱處理后接頭的硬度最高，焊核區硬度可達120HV，為母材硬度的83%。
(3) 焊后熱處理后接頭的抗拉強度明顯提高，且450℃焊后熱處理后接頭的抗拉強度最大，為270MPa，比焊后熱處理前的增加了50MPa。拉伸試樣均在焊核區發生韌性斷裂，但焊后熱處理后拉伸斷口中的韌窩尺寸較小且深度較淺，接頭韌性降低。
引用本文：
仇一卿，范祝男，劉禮軍，燕翔，劉巨鋒.焊后熱處理對Cu-Cr-Zr合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學性能的影響[J].機械工程材料，2021，45（7）：41-45，50.
Qiu Y Q, Fan Z N, Liu L J, et al. Effect of Postweld Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Cu-Cr-Zr Alloy Friction Stir Welding Joint, 2021, 45（7）: 41-45, 50.
來源：機械工程材料
