深冷处理对FSW焊接件组织及力学性能的影响

屈 林，王 操，屈玉石，张 潇，王丽萍

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳 111003）

0 前言

铝合金由于密度小、强度高、韧性和耐蚀性良好、可加工性及焊接性优良等综合性能，在航空航天、机械和汽车制造业等领域得到了广泛应用[1-2]。多数高强度铝合金材料需要通过热处理获得高强度与高韧性以满足使用需求[3-4]，而在挤压成型或焊接后的快速淬火冷却过程中，材料内部形成巨大温差，在构件内部形成较大的残余应力，使得产品性能降低。此时可通过深冷处理的方式消除材料内部的残余应力。

本文采用以液氮为介质、将材料于-130℃环境下存放一定时间的深冷处理工艺，通过FSW 焊接件经过不同方式的冷、热循环处理的对比实验，研究了深冷处理对其组织及力学性能的影响以及深冷处理工艺使材料内部组织发生转变的机理。

1 实验过程

试验所用材料为6005A 搅拌摩擦焊焊接板材，长度为60 cm、宽度为20 cm、厚度为2.5 mm。将焊接板材以焊缝为中心制成室温力学拉伸件后分别进行固溶、固溶+深冷、固溶+时效和固溶+深冷+时效处理，具体热、冷处理工艺如表1所示。室温力学拉伸速率为12 mm/min。每个冷、热制度结果取3个拉伸数据的平均值。

表1 热、冷处理工艺

室温力学拉伸试验完成后使用电子扫描显微镜进行不同制度下的断口扫描分析，分析其断口形貌；断口分析完成后利用热镶嵌对断口试样进行侧面镶嵌并进行金相组织观察，观察其金相组织。

2 实验结果

2.1 常温拉伸性能

表2为不同制度下FSW焊接板材的力学性能数据。由表2可以看出：与固溶处理后的焊接板材相比，焊接板材经过深冷处理后其屈服强度、抗拉强度均有所提高，断后伸长率没有明显变化；深冷处理对于时效处理的影响较大，与固溶后直接时效处理后的焊接板材相比，深冷处理后进行时效处理其屈服强度和抗拉强度得到大幅度提升，但其断后伸长率明显下降；不同冷、热处理后的室温拉伸试样的断裂位置均为焊缝中心“S”线延伸处。固溶+深冷+时效处理后的焊接板材，其焊缝强度达到了母材的80%，性能大幅度提高。

表2 不同制度下FSW焊接板材力学性能

2.2 断口形貌

图1为FSW焊接板材在不同制度处理后的室温拉伸断口形貌。由图1可知：FSW焊接板材经固溶后其拉伸断口出现缩颈，断裂部位位于焊缝中心“S”线附近，断口中心呈撕裂状，断口边缘部位较平滑；高倍数下观察中心断裂部分形貌，发现其韧窝尺寸较大且存在大量准解理面。固溶后进行深冷的断口试样，其中心撕裂状断口与固溶断口相比较宽，边部平滑，断口较少，高倍数下观察其中心撕裂出韧窝较大，韧窝尺寸相近。固溶后未经深冷处理直接时效的拉伸断口，其断口截面均由韧窝及撕裂棱组成，断裂位置在“S”线附近但分界不清晰，高倍数下观察其韧窝较多且尺寸相近。固溶+深冷+时效后的拉伸断口，其断裂位置位于“S”线，断裂痕迹清晰明显，断口由韧窝及撕裂棱组成；高倍数下观察断口，其韧窝尺寸较小，韧窝内部分布较小的第二相，呈明显的阶梯型断裂。

图1 FSW焊接板材经不同制度处理后的室温拉伸断口形貌

2.3 金相组织观察

图2为FSW焊接板材经不同制度处理拉伸后断口侧面金相组织形貌。由图2可知：焊接板材经固溶后其拉伸断口边缘较为圆滑，断裂位置距“S”线较近，由阳极覆膜图可知其晶粒被明显拉长后穿晶断裂，强度较差，塑性较强；固溶后进行深冷的拉伸试样的断口边缘较为平整，较少出现曲线断口，断口位置与“S”线相连，由阳极覆膜图片可知其晶粒被拉长至断裂，强度增加，塑性降低；固溶后进行时效的拉伸试样的断口平直光滑，断口位置与“S”线连接，由阳极覆膜图可知其晶粒变形程度明显降低，沿晶界处发生断裂，其强度较高，塑性较低；深冷后进行时效的拉伸试样沿整条“S”线断裂，断口平整光滑，组织内部出现再结晶织构，阻碍位错滑移，由阳极覆膜图片可知，其晶粒沿整条晶界线断裂，强度最高但塑性最差。

图2 FSW焊接板材经不同制度处理拉伸后断口侧面的金相组织形貌

3 分析与讨论

搅拌摩擦焊是通过旋转的焊头与其工作表面产生摩擦热使材料软化并在焊头的压力作用下使工件焊接在一起，其整个过程都是在固态下完成，因此由于金属流动原因易在焊缝中心产生“S”线，其对焊缝的力学性能产生了一定的影响。在固溶过程中，由于焊接板材固溶温度较高（接近母材固相线温度），其组织中的第二相溶解度较大，且大部分溶于基体中，这使得材料屈服强度与抗拉强度降低，塑性大幅度提高。在进行室温拉伸时晶粒被拉长至断裂，宏观表现为出现明显缩颈，断口部位较圆滑。焊接板材经固溶后进行深冷处理，由于深冷处理是在-196 ℃条件下进行，相当于在材料时效之前进行了一次预时效处理，大大消除了焊接及固溶过程中的残余应力。同时，深冷处理使晶粒产生转动效应[5]，阻碍位错滑移起到位错钉扎作用，使得材料屈服强度及抗拉强度均有所提升，但塑性降低。通过固溶+时效与固溶+深冷+时效对比试验可以发现，经过深冷处理的试样由于提前析出部分析出相，在时效过程中，第二相的析出更为彻底，且时效前经过深冷处理的组织在时效时由于晶粒转动产生再结晶织构，进一步提高了材料的抗拉强度及屈服强度，但同时塑性下降明显。

4 结论

（1）深冷处理使得FSW 板材的屈服强度与抗拉强度有所提升。深冷后时效较未深冷处理试样的屈服强度与抗拉强度分别提升6%和8%，经固溶+深冷+时效后的FSW板材焊缝的屈服及抗拉强度达到母材的80%，但其塑性有所下降。

（2）深冷处理使晶粒产生转动效应，阻碍位错滑移起到位错钉扎作用，时效后产生再结晶织构，进一步提高了材料的抗拉强度及屈服强度。