《MSEA》攪拌摩擦焊後熱處理對鋁合金疲勞裂紋擴展速率的影響

2021-01-17 孜然學術

由於鋁合金廣泛的工業應用，專門針對其連接工藝進行了許多研究。但是，由於它們的高導熱性，高膨脹係數，高氧化敏感性等，也帶來了不少挑戰。對於輕型結構，通常採用傳統的焊接技術，例如金屬惰性氣體（MIG）焊接和鎢極惰性氣體（TIG）焊接，導致典型的樹枝狀顯微組織，強度差，焊接接頭固態裂紋，從而降低了這些合金接頭的機械性能。

在所有用於金屬連接的技術中，攪拌摩擦焊（FSW）在過去的幾十年中受到了廣泛的關注，並且在當今已經被頻繁使用。FSW是一種固態焊接工藝，將旋轉工具插入要連接的板鄰接邊緣。許多研究都關注這類合金的FSW接頭性能，但對其循環特性的關注則較少。對於循環載荷下的焊接結構設計，普遍的共識是，由於微結構的細化，與傳統的焊接技術相比，FSW通常可以改善焊接接頭的疲勞壽命。因此，研究其循環特性對於安全可靠的設計非常重要。

本研究在恆定應力比（R=0.1）下，分析了攪拌摩擦焊接2024鋁合金焊後熱處理（PWHT）對接頭微觀結構和循環特性的影響。相關論文以題為「Effect of post-weld heat treatment onmechanical properties and fatigue crack growth rate in welded AA-2024」於發表在Materials Science and Engineering A。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139116

熔核區進行焊後熱處理後，未觀察到明顯的晶粒長大，即保留了等軸細晶粒。但是，焊後熱處理會導致熱機械影響區（TMAZ）和熔核區（NZ）中的粗大析出相重新析出。觀察到攪拌摩擦焊後強度的損失是由於析出物的粗化，而析出物在200°C/10h，焊後熱處理（PWHT）後發生回復，塑性應變增加到焊接條件下的1.67倍。與190°C相比，PWHT隨後在200°C下進行時效，雖然在一定程度上降低了抗拉強度，但在不影響屈服強度的情況下，顯著提高了接頭的延展性。190°C和200°C的PWHT使硬度在整個焊縫橫截面上均勻分布。與190°C相比，200°C的時效溫度顯示出硬度值的改善，特別是在熱影響區，這主要是由於強化析出物的產生。

圖1 FSW焊後接頭組織

圖2（a）焊接條件下焊縫熔核區的SEM圖像；（b）熔核區的晶粒尺寸分布

圖3 在焊接橫截面中晶體織構的極圖

圖4 焊接接頭橫截面的顯微硬度分布

在不同的PWHT條件下，疲勞裂紋擴展率的門檻值Kth明顯不同。與190°C相比，PWHT隨後在200°C進行時效導致Kth值有所提高。

圖5 不同熱處理條件下焊接接頭的裂紋擴展行為

總的來說，本文發現焊接工具的轉速是控制熱量輸入，硬度以及焊接接頭疲勞裂紋擴展的關鍵參數。PWHT的焊接接頭的延展性和硬度有了顯著改善。焊縫攪拌區的硬度值低，疲勞裂紋擴展率高。（文：33）

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