分享：焊后热处理对Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响

仇一卿1,范祝男2,刘礼军3,燕 翔3,刘巨锋3

(1.上海航天精密机械研究所,上海 201600;2.南昌航空大学,轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌 330063;3.湖北三江航天红阳机电有限公司,先进焊接技术湖北省重点实验室,孝感 432100)

摘 要:对5mm 厚 Cu-Cr-Zr合金板进行搅拌摩擦对接焊,在不同时效温度(400,450,500 ℃)下对接头进行热处理,研究了热处理对接头组织和力学性能的影响。结果表明:焊后热处理后,焊核区晶粒尺寸未发生明显变化,热机影响区弯曲变形的晶粒基本消失;焊后热处理后,在焊接过程中固溶至基体中的强化相重新析出,但500 ℃焊后热处理后,接头出现过时效现象;焊后热处理后接头的硬度和抗拉强度均明显提高,硬度呈“W”形分布,最低值出现在热机影响区。450℃焊后热处理后接头的硬度和抗拉强度均最大,焊核区的硬度达到母材的83%,接头的抗拉强度为270MPa,比焊后热处理前的增加了50MPa。关键词:Cu-Cr-Zr合金;搅拌摩擦焊;焊后热处理;显微组织;力学性能中图分类号:TG40 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)07-0041-05

0 引 言

Cu-Cr-Zr合金具有强度高、导电性和导热性良好等优点,在现代工业中广泛用于生产铁路接触线、连铸机结晶器以及引线框架等[1-5]。在应用过程中,上述零件之间经常需要进行连接,但采用目前常用的传统焊接方法如熔焊和钎焊连接后,接头中经常出现未熔合、未焊透、裂纹、气孔等缺陷[6]。搅拌摩41仇一卿,等:焊后热处理对 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响擦焊(FrictionStirWelding,FSW)是一种新型固相连接技术,通过搅拌头的作用使金属发生剧烈塑性变形而实现连接,同时使接头组织细化[7-8]。搅拌摩擦焊具有节能无污染、焊后变形小等特点,是焊接铜合金的很好选择[9-10]。研究发现,搅拌摩擦焊接过程中较高的焊接温度会导致强化沉淀相溶解而形成软化区,从而导致接头性能降低[11-12]。LAI等[11]对30mm 厚 Cu-CrZr合金板进行搅拌摩擦焊对接试验,发现焊接接头不同厚度处的硬度以及电导率均低于母材的,并且硬度和电导率的最小值都出现在焊核区。贺地求等[12]采用搅拌摩擦焊对20mm 厚Cu-Cr-Zr合金板进行对接焊试验,发现焊接接头的平均抗拉强度为261MPa,为母材的58%,并且拉伸试样的断裂位置均出现在焊核区,断口有明显的颈缩现象,硬度最低值出现在热机影响区,焊核区的硬度略高于热机影响区的。为了改善接头性能,目前已研究出很多方法,包括优化工艺参数以及进行焊后热处理等。其中,焊后热处理是一种高效便捷的处理方法,并且已被证实是改善搅拌摩擦焊接头性能的有效方法[13-15]。目前,有关 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊的研究主要集 中 在 焊 接 接 头 组 织 和 性 能 的 变 化 规 律 方面[11-12,16-17],有关焊后热处理对接头组织和性能影响方面的研究较少。因此,作者对5mm 厚Cu-Cr-Zr合金板进行搅拌摩擦焊对接试验,研究不同温度焊后热处理前后接头的显微组织及性能,这对于促进铜合金领域搅拌摩擦焊接的广泛应用具有重要意义。

试验材料为尺寸150mm×100mm×5mm 的Cu-Cr-Zr合金板,化学成分如表1所示。在 X53K型铣床改装的搅拌摩擦焊机上进行对接试验,搅拌头为切三边螺纹锥形搅拌头,这种结构能加强搅拌头对母材的搅拌作用,增强材料塑性流动,从而有助于形成良好焊接接头[18]。搅拌头的轴肩直径、搅拌针顶部直径、搅拌针底部直径以及搅拌针长度分别为20,8,5,4.8mm。焊后,分别在400,450,500 ℃下对焊接接头时效2h后空冷。表1 Cu-Cr-Zr合金的化学成分 质量分数Table1 ChemicalcompositionofCu-Cr-Zralloy massfraction %Cu Cr Zr Fe P Si Ni98.58 0.5 0.6 0.08 0.01 0.2 0.02在焊后热处理前后的焊接接头中,以焊缝为中心垂直于焊接方向截取金相试样,对试样进行打磨、抛光,用由 5gFeCl3、100 mL C2H5OH、4 mL 浓HCl组成的溶液腐蚀后,采用4XB-TV 型倒置光学显微 镜 (OM)观 察 截 面 显 微 组 织。 采 用 WT401MVD型维氏硬度计在接头截面上以焊缝为中心向两侧取点测硬度,测试间距为1mm,加载载荷为1N,保载时间为10s。按照 GB/T228.1-2018,在焊后热处理前后的焊接接头中,以焊缝为中心垂直于焊接 方 向 截 取 拉 伸 试 样,拉 伸 试 样 的 标 距 为100mm,采用ZWICJ150型电子拉伸试验机进行室温拉伸试验,拉伸速度为0.5 mm·min-1。拉伸试验后,采用 NovaNanoSEM450型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头热处理前后的宏观形貌相似,以焊后热处理前的焊接接头为例,对其截面形貌进行观察。图1中 AS表示前进侧,RS表示后退侧,NZ表示焊核区,TMAZ表示热机影响区,HAZ表示热影响区,BM 为母材。由图1可以看出,在轴肩与搅拌针的作用下,焊接接头可划分为母材、焊核区、焊核区两侧的热机影响区以及热机影响区以外只受热作用的热影响区。焊缝(焊核区和热机影响区)顶部宽度与轴肩直径相近,底部宽度与搅拌针底部直径相近。焊缝横截面整体形貌呈盆状,无明显的“洋葱环”特征,这是因为焊接过程中,一部分发生塑性变形的金属受切边平台边缘的挤压作用向后方移动,做相对的水平移动,致使该部分金属在厚度方向上的流动趋势变缓。图1 焊后热处理前接头的截面形貌Fig.1 Sectionmorphologyofjointbeforepostweldheattreatment由图2可知:焊后热处理前接头焊核区组织为细小的等轴晶,这是由于在搅拌针强烈搅拌作用下,焊核区温度较高,使得晶粒发生动态再结晶;在焊核区晶界和晶内分布着一些不规则的析出相颗粒。热机影响区不受搅拌针的直接搅拌作用,焊接热输入低,部分晶粒发生回复和动态再结晶;在搅拌头旋转与 塑性金属迁移产生的剪切力作用下,热机影响区42仇一卿,等:焊后热处理对 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响图2 焊后热处理前接头不同区域的显微组织Fig 2 Microstructuresofdifferentregionsofjointbeforepostweldheattreatment a nuggetzone b thermo-mechanicallyaffectedzone c heataffectedzoneand d basemetal图3 不同温度焊后热处理后接头不同区域的显微组织Fig 3 Microstructuresofdifferentregionsofjointafterpostweldheattreatment a c e nuggetzoneand b d f thermo-mechanicallyaffectedzone组织发生一定程度的弯曲变形,晶粒明显拉长[19],晶粒尺寸小于焊核区的,并且在晶界和晶内同样分布着一些析出相颗粒,尺寸与焊核区的相当,但数量更多且分布更均匀。母材为粗大的板条状组织,在晶界和晶内不均匀分布着大量的粗大析出相颗粒。由于铜的导热性较好,焊接过程中产生的大量热通过焊核两侧扩散出去,焊缝边缘温度较低,金属受热均匀,因此热影响区组织与母材的类似。对比图2和图3可以看出:与焊后热处理前的接头相比,经不同温度焊后热处理后,焊核区组织的43仇一卿,等:焊后热处理对 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响图5 不同温度焊后热处理前后拉伸试样的断口形貌Fig 5 Fracturemorphologyoftensilespecimensbefore a andafter c-d postweldheattreatmentatdifferenttemperatures晶界更加明显,晶粒尺寸未发生变化,同时析出相的数量明显增多,并且随着温度升高,析出相的分布密度增加。焊接过程中的温度较高,析出相溶解于基体中,经时效后重新析出;当时效温度较低时析出相析出不充分,随着时效温度的升高,析出驱动力增大,析出相析出更充分,但当时效温度升高到500℃时,析出相发生粗化,接头出现过时效现象,此时析出相与基体的共格关系受到破坏[20]。热处理后,热机影响区发生弯曲变形的晶粒基本消失,晶粒尺寸略微增大,这 是 由 变 形 能 释 放 导 致 晶 粒 粗 化 造 成的[21];经过焊后热处理后,热机影响区的析出相数量明显增多。

2.2 硬度与拉伸性能

由图4可知,焊后热处理前接头焊缝区域发生软化,硬度呈“U”形分布,硬度最低值出现在焊核区,仅为75HV,相比母材降低了69 HV。经不同温度焊后热处理后,接头显微硬度均有明显提高,且呈“W”形分布,焊核区硬度远高于热机影响区的,且比焊后热处理前的提高了约45HV,温度450 ℃下的硬度最高,约为120HV,为母材硬度的83%。接头显微硬度随热处理温度升高先增大,这是由于焊接过程固溶于基体的析出相经热处理后重新析出,阻碍位错运动作用降低,当热处理温度高于450 ℃后又降低,这是由于焊后热处理温度过高时,接头出现过时效现象,重新析出的强化相发生粗化长大。图4 焊后热处理前后接头的显微硬度分布Fig.4 Microhardnessdistributionofjointbeforeandafterpostweldheattreatment在450 ℃热处理后接头的硬度最高。焊后热处理前以及400,450,500℃焊后热处理后接头的抗拉强度分别为220,264,270,260 MPa。可知,焊后热处理后接头抗拉强度明显提高,450 ℃焊后热处理后,接头的抗拉强度最大,比焊后热处理前接头的增加了50MPa。拉伸试样均在焊核区发生断裂,并且有明显的颈缩现象。由图5可以看出:焊后热处理前拉伸断口中存在较多的大尺寸等轴状韧窝,断裂方式为韧性断裂;不同温度焊后热处理后拉伸断口中的韧窝尺寸较小且深度较浅,说明经过焊后热处理后焊缝的韧性降低。

3 结 论

(1)与 焊后热处理前的接头相比,Cu-Cr-Zr合44仇一卿,等:焊后热处理对 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响金搅拌摩擦焊接头经不同温度焊后热处理后,焊核区晶粒尺寸未发生明显变化,热机影响区弯曲变形的晶粒基本消失;经焊后热处理后,固溶于基体中的析出相重新析出,但是500 ℃焊后热处理后接头出现过时效现象,析出相发生粗化长大。(2)焊后热处理前接头的硬度呈“U”形分布,最低值出现在焊核区;焊后热处理后接头的硬度明显提高,呈“W”形分布,最低值出现在热机影响区,焊核区硬度比焊后热处理前的提高约45HV;接头硬度随着 焊 后 热 处 理 温 度 的 升 高 先 增 大 后 降 低,450 ℃焊后热处理后接头的硬度最高,焊核区硬度可达120HV,为母材硬度的83%。(3)焊后热处理后接头的抗拉强度明显提高,且450 ℃ 焊后热处理后接头 的 抗 拉 强 度 最 大,为270MPa,比焊后热处理前的增加了50 MPa。拉伸试样均在焊核区发生韧性断裂,但焊后热处理后拉伸断口中 的 韧 窝 尺 寸 较 小 且 深 度 较 浅,接 头 韧 性降低。

来源：材料与测试网