熱處理對攪拌摩擦焊T型2014-T651航空鋁合金力學性能的影響

肖含月

（重慶電子工程職業學院智能制造與汽車學院，重慶 400044）

鋁合金作為典型的輕金屬合金被廣泛應用于航空航天領域。從最新的研究中表明，在先進航空鋁合金中，2000系和7000系鋁合金和新一代 Al-Li合金有了很大的發展[1，2]。T型結構件由于其獨特的幾何特征在運輸業中有著不可替代的作用。例如，在航空器的制造中，鋁合金經常被焊接成T型來制造面板、橫梁等部件[3]。FSW是一種先進的輕合金連接技術，能夠解決很多傳統焊接工藝（如激光焊接）中的一系列缺陷，例如氣孔，熱裂等，因此，FSW有望成為航空航天領域中大部分金屬結構的連接工藝[4]。

近年來，對T型2000系鋁合金材料力學性能的優化仍然是一個挑戰。研究表明，焊后熱處理對鋁合金的力學性能有較大影響。在熱處理中，如析出強化、粗化、取向生長、回復和再結晶等都會影響材料的微觀組織，進而決定材料的力學性能。硬度試驗、拉伸或者彎曲試驗是評價鋁合金攪拌摩擦焊力學性能的常用方法[5]。然而，熱處理對FSW T型2000系鋁合金力學性能的影響仍缺乏研究[6]。

在這篇文章中，2014-T651鋁合金板通過攪拌摩擦焊被成功焊接成T型，采用適當的熱處理進行對比。通過彎曲測試和硬度測試研究了不同熱處理溫度對材料力學性能的影響。

1 實驗部分

本實驗選用2014-T651 鋁合金，通過攪拌摩擦焊將材料焊接成為T型結構（如圖1）。將焊后試樣切成10份（4mm x 6mm x 40mm），編號1到10備用。本實驗的熱處理方案是將試樣分別加熱至400 ℃ 和 535 ℃，保溫7小時，緩慢爐冷至室溫。

圖1 FSW過程的工藝技術圖

采用MATSUZAWA型維氏硬度計對不同狀態的試樣（未處理、400℃熱處理、535℃熱處理）進行顯微硬度測試，硬度測試方向平行于焊接線方向，并且跨過T型連接件的不同區域（BM、SZ、HAZ 和 TMAZ）。硬度測試間隔為1mm，測試負載為0.5HV, 壓頭每次壓力為0.5kg，每點保持5秒。彎曲測試采用Instron 5569 型試驗機（如圖2）。

圖2 彎曲測試：彎曲測試的相關尺寸和受力示意圖

2 結果和討論

2.1 硬度試驗

由圖3可知，不同熱處理溫度下，攪拌摩擦焊 T形鋁合金2014-T651在遠離焊縫方向的硬度變化基本相同，各狀態的硬度曲線均呈“V”形。這些V形硬度曲線表明過渡區（TMAZ/HAZ）為軟化區。對于原始樣品（藍色曲線），BM區域的硬度最高（150 HV）。SZ區域（焊縫附近）的硬度約為BM區域的85%（接近130 HV）。軟化區在TMAZ區域附近（距離焊縫6mm），約為BM區域的73%（112HV）。軟化區的出現可能是由于在攪拌摩擦焊接過程中，摩擦熱引起SZ區域和TMAZ/HAZ區域發生退火，導致出現第二相強化，而遠離焊接區的BM區域很少受到影響。第二個原因是TMAZ區域的晶粒尺寸大于SZ區域。由于上述兩個原因，過渡區（TMAZ/HAZ）成為原始試樣的軟化區。

圖3 2014-T651 鋁合金遠離焊縫方向的維氏硬度變化(不同狀態下)

除此之外，與未加熱試樣相比，加熱試樣各區域的硬度均顯著降低，且加熱溫度越高，硬度越低。第一個原因是由于高溫導致晶粒粗化。同一材料的晶粒尺寸越大，硬度越低。其次是具有固溶強化作用的第二相隨溫度升高而變粗或不斷溶解，導致硬度降低。

2.2 彎曲試驗

圖4（a）、（b）和（c）分別顯示了不同熱處理參數下攪拌摩擦焊 T型接頭沿縱梁的斷裂特征。圖5是這些樣品對應的彎曲試驗曲線圖。試樣（a）的斷裂面為特征彎曲斷裂面，原始試樣的彎曲曲線（藍色曲線）為經典彎曲曲線，在彎曲試驗中，彈性變形和塑性變形依次發生，最終屈服斷裂。斷裂試樣（b）為韌性斷裂，其斷裂時間約為試樣（a）的兩倍。試樣在400℃加熱下的塑性變形（紅色曲線）超過5mm且無斷裂發生，表明400℃的熱處理溫度引起了晶粒的部分再結晶，使晶粒尺寸變大而不至粗大，具有良好的塑性。試樣（C）在加熱溫度為535℃時發生脆性破壞，在加載后的短時間（5s）內斷裂，修正位移僅為1.26mm（黑色曲線）。試驗結果表明，當熱處理溫度過高（535℃時），導致晶粒粗大且第二相沿晶界析出，降低了材料的韌性，導致脆性斷裂。

圖4 不同熱處理溫度下試樣的彎曲測試斷裂特征照片

圖5 不同熱處理溫度下試樣的彎曲曲線

綜上所述，力學性能測試結果表明，焊縫附近是攪拌摩擦焊T型鋁合金2014-T651的斷裂部位，焊后熱處理溫度對材料的彎曲性能有明顯影響。適當的加熱溫度可以提高材料的韌性和延展性，但過熱條件（535℃）會使材料更脆，加速材料的斷裂。

3 結論

焊后熱處理對試樣各區域的力學性能都有明顯的影響。其中，熱處理對SZ區的影響最大，SZ區晶粒的再結晶是主要原因。硬度測試表明，試樣的硬度隨著加熱溫度的升高而降低。熱處理后，BM區域的硬度分別下降到原始試樣的78%（400℃）和67.8%（535℃）。在彎曲試驗中，焊縫附近是彎曲斷裂的位置。400℃的熱處理溫度提高了鋁合金的塑性，而535℃的過熱溫度會導致過多的粗晶和析出物，從而導致脆性斷裂。