时效处理对 2024-T3 搅拌摩擦焊接头组织及性 能的影响 http://www.paper.edu.cn 乔文广 1，杨新岐 1，董春林 2，吴海亮 1 1 天津大学材料学院，天津 (300072) 2 北京赛福斯特技术有限公司，北京 (100024) E-mail：qiaowgsx@163.com /10h℃ ，45 摘 要：本文对 AA2024-T3 进行了搅拌摩擦焊，并焊后对接头进行了时效处理，其中时效 规范为：自然时效 35 天，180 /12h℃ 。采用了金相、硬度、拉伸、塑性弯曲试验 方法对处理过的接头经行了评定。研究结果表明，三种时效规范的接头，其各区域的组织微 的焊缝析出的 S 相 观上也未能发现明显的区别，但是经过 X-Rad 衍射分析，发现 45 比其它两种的多。从接头整体硬度分布来看，自然时效与 45 的分布趋势一样，只是 后者整体比前者高；180 的接头硬度分布毫无规律，但热机影响区的硬度升高并大于 焊缝硬度。由于接头存在缺陷，导致三种时效制度的接头抗拉强度、延伸率下降。 关键词：2024 铝合金，搅拌摩擦焊，时效处理，组织及性能 中图分类号：TG4 1. 引 言 /12h℃ /10h℃ /12h℃ 搅拌摩擦焊是一种新的金属焊接技术，解决了铝合金等低熔点材料的焊接，获得了无气 孔、裂缝等缺陷的高质量焊缝[1-2]。目前，搅拌摩擦焊已经被广泛的应用与航空航天、船舶、 铁路、汽车等领域。国内外评定铝合金FSW接头时，主要考察焊态条件下接头区域微观组织 结构、力学性能和疲劳性能，很少考虑焊后时效热处理对FSW接头使用性能的影响。铝合金 的特点是具有时效强化效应，即使在自然放置状态下其性能也会随时间而变化。因此，研究 时效工艺对FSW接头性能的影响具有重要工程意义。但是，目前，关于基体材料的时效行为 在一些国外文献中有介绍[3-13]，但是关于搅拌摩擦焊接头的特别少，尤其是关于2024的，几 乎没有。 2. 试验方法 试验材料为轧制状态的 AA2024-T3，其化学成分如表 1。材料原始厚度为 2.6mm，为了 减少包铝对接头的影响，对材料进行了化学洗涤，化洗后材料的厚度为 2.4mm，其机械性能 如表 2。 表 1 AA2024-T3 的化学成分 化学成分（％） Si 0.50 Fe 0.50 Cu Mn Mg 3.8~4.9 0.30~0.90 1.2~1.8 Cr 0.1 Zn 0.25 Ti 0.15 Al 余量 表 2 2024 化洗后的机械性能 材料状态 T3 δ(%) 22.4 σb (MPa) 508 试验过程如下：将 2024 进行搅拌摩擦焊，焊成对接接头，选取表面成型良好的试板进 行 X 光探伤，选择无缺陷的试板，然后截取拉伸、弯曲、金相试样，最后将这些试样分别 进行时效处理。其中时效规范为：自然时效 35 天、180℃/10h、45℃/12h。用 CSS－44100 - 1 - 

测试机械性能，用光学显微镜 OLYMPUS GX51 观察组织，用 HVA-10A 小负荷维氏硬度计 打取硬度。 http://www.paper.edu.cn 3. 试验结果与分析 3.1 时效处理对组织的影响 图1中的a、b、c分别是三种时效规范的焊核区的微观组织。从图中不能够很明显的看出 三者的区别，三者都是看出焊核区最典型的特征是它由一系列细小的等轴再结晶颗粒相组 成。焊核是焊接工具直接搅拌的区域，材料在焊接工具的“搅拌 (stirred)”下发生了强烈的塑 性变形。在搅拌摩擦焊接过程中，焊接工具轴肩下方的被焊材料加热到产生塑性变形或塑性 流动的温度，而搅拌头前方的材料在搅拌头的进给运动下被挤压，在搅拌头的旋转运动下被 剪切，使焊核的温度超过了硬的沉淀强化相的溶解温度，但低于铝合金的熔化温度，即焊核 温度约为合金熔点的0.8TM。从而实现了晶粒在搅拌摩擦焊接过程中重结晶和沉淀强化相的 再分配，最终得到了细小的等轴晶粒结构[14-15]。但是，焊缝经过X-Rad衍射分析后，发现 45℃/12h析出的S相比其它两种规范多，如图2~4。 a b c 自然时效 35 天 180℃/10h 45℃/12h 图 1 不同时效规范下焊核的组织 图 2 自然时效 35 天的焊缝的 X 射线衍射图 - 2 - 

http://www.paper.edu.cn 图 3 时效规范为 180℃/10h 的焊缝的 X 射线衍射图 图 4 时效规范为 45℃/12h 的焊缝的 X 射线衍射图 3.2 时效处理对硬度的影响 由图 5 可知，自然时效 35 天的硬度分布趋势与 45 /12h℃ 区低于母材，硬度最高点出现在热影响区。但是 45 /12h℃ 的一致，焊缝硬度高热机影响 各个区域的硬度较前者的大。在 图 5 三种时效规范下接头硬度分布 焊缝区，经过 45 /12h℃ 时效的硬度的最大且波动也最大，经过 180 /10h℃ 时效的次之，经过 - 3 - 

http://www.paper.edu.cn 35 天自然时效后的波动最小。由上述知 45 的焊缝析出的 S 相（Al2CuMg）最多，又 Al-Cu-Mg 合金系强化相 θ（CuAl2）、β（Mg2Al3）、S（CuMgAl2）、T（CuMg2Al6）中的 S 相强化作用最激烈[16]，这就导致 45 的焊缝的硬度最高。波动较大可能是由于 S 相 的不均匀析出造成的。180 没有规律可循，但热机影响区的硬度高于焊缝。 /12h℃ /10h℃ /12h℃ 3.3 时效处理对机械性能的影响 由表 3 知，经过 35 天自然时效后的接头抗拉强度要略高于人工时效的，而两种人工时 效规范下的基本没有差别，但是延伸率三者基本没有差别，都比较低，不到焊前母材的 20 ％，这可能是背部微裂纹、未焊透引起的如图 6、图 7。背部未焊透是接头的薄弱环节，在 拉应力作用下，未焊透将会引发裂纹；而微裂纹在拉应力作用下将继续扩展，导致接头断裂 在焊缝中心，从而影响接头的抗拉强度与延伸率。 表 3 拉伸、弯曲试验结果（平均值） 抗拉强度 σb（MPa） 延伸率 δ（％） 断裂位置 背弯开裂角度（º） 371 353 358 353 4.34 4.15 4.13 3.73 焊中 焊中 焊中 焊中 32 25 22 11 试样状态 自然时效 35 天 180℃/10h 45℃/12h 焊态 图 6 背部微裂纹 图 7 背部未焊透 4. 结论 本文研究了不同时效规范对 2024-T3 搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响，得出如下结 论： 的等轴晶粒；但是经过 X-Rad 衍射分析，三种时效制度中 45 /12h℃ 1. 金相试验表明，在现有观察条件下，各种时效规范的焊核组织基本不变，都为细小 的焊缝析出的 S 相最多， 时效的接头的硬度分布无规律，焊缝硬度波动较大， 2. 硬度试验表明，经过 180 /10h℃ 热机影响区的硬度高于焊缝而低于母材，硬度最高点出现在热影响区。经过 45 的接头的硬度分布趋势与自然时效的基本一致，只是各个区域的硬度都比自然时效的高。焊 缝的硬度分布波动也很大，热机影响区的硬度低于母材，硬度最高点也是出现在热影响区。 3. 拉伸、弯曲试验表明，三种时效规范中，自然时效优于人工时效，两种人工时效规 范相差不大。但由于存在背部未焊透、微裂纹等缺陷，导致弯曲试样在较小的角度小背部开 /12h℃ 时效 - 4 - 

裂，接头塑性很差。 参考文献 http://www.paper.edu.cn [1] 石崇刚,王蕾,朱仁达等.铝合合金氢弧焊与激光焊研究.南京航空航天大学学报,1996,28(4):205～210 [2] 邢丽,柯黎明,周细应等.LF6铝合金薄板的搅拌摩擦焊焊缝成型及性能.南昌航空工业学院学报,2001, 15(2):1～4 [3] Effect of natural aging on the resistivity evolution during artificial aging of the aluminum alloy AA6111.S. Esmaeilia, D.J. Lloyd, W.J. Poole Materials Letters 576 59 (2005):575～577 [4] The effect of natural ageing on the evolution of yield strength during artificial ageing for Al-Mg-Si-Cu alloys.W.J. Poole , D.J. Lloyd , J.D. Embury Materials Science and Engineering A 234～236 (1997):306～309 [5] Effect of aging time and aging temperature on fatigue and fracture behavior of 6063 aluminum alloy under seawater influence.R.A. Siddiqui, S.A. Abdul-Wahab , T. Pervez Materials and Design 29 (2008):70～79 [6] Effect of natural aging on the resistivity evolution during artificial aging of the Al-Zn-Mg-Zr alloy.Ashish Thakur , R. Raman, S.N. Malhotra Journal of Materials Processing Technology 194 (2007):184～186 [7]Aging behaviour of Al-Cu-Mg alloy-SiC composites.Sharmilee Pal , R. Mitra , V.V. Bhanuprasad.Materials Science and Engineering A xxx (2007):xxx～xxx [8] Effect of composition and ageing on damping characteristics of Cu-Al-Mn shape memory alloys.U.S. Mallik, V. Sampath Materials Science and Engineering A xxx (2007): xxx～xxx [9] Effect of aging treatments on the kinetics of fatigue crack growth in 7010 aluminum alloy Mohammed Noor Desmukh, R.K. Pandey, A.K. Mukhopadhyayb. Materials Science and Engineering A 435～436 (2006):318～ 326 [10] Effect of aging on scale-dependent plasticity in aluminum alloy 2024 Y.J. Ro, M.R. Begley, R.P. Gangloff, S.R. Agnew.Materials Science and Engineering A 435～436 (2006):333～342 [11] Effect of artificial aging on intergranular corrosion of extruded Al-Mg-Si alloy with small Cu content Gaute Svenningsen , Magnus Hurlen Larsen,John Charles Walmsley , Jan Halvor Nordlien ,Kemal Nisancioglu Corrosion Science 48 (2006):1528～1543 [12] Effect of artificial aging on the fatigue crack propagation resistance of 2000 series aluminum alloys.G.H. Bray , M. Glazov , R.J. Rioja , D. Li , R.P. Gangloff International Journal of Fatigue 23 (2001) S265～S276 [13] Effects of Si on the aging behaviour and formability of aluminium alloys based on AA6016.S.M. Hirth , G.J. Marshall , S.A. Court , D.J. Lloyd. Materials Science and Engineering A 319～321(2001):452～456 [14] 彭成章,周鹏展,黄明辉.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺及显微组织. 湘潭矿业学院学报,2002年6月,第17卷 第2期 [15] 傅志红,贺地求,周鹏展等.7A52铝合金搅拌摩擦焊焊缝的组织分析. 焊接学报,2006年5月,第27卷第5期 [16]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,2000:408～419 Influences of ageing treatment on the microstructure and mechanical properties of AA2024-T3 friction stir welded joints Qiao Wenguang 1，Yang xinqi1，Dong chunlin2，Wu hailiang1 1 Materials science and Engineering, Tianjin University, Tianjin (300072) 2 Beijing Fsw Technology Co.LTD, Beijing (100024) Abstract ℃ / 10 h and 45 In this paper, AA2024-T3 was welded by friction stir welding, and the welded joints are treated by using three aging system: the natural aging of 35 days, 180 Metallic phase, hardness, tensile and plastic bending are used to test the aged joints. The results show that there is no clear distinction between three different joints, but after X-Rad diffraction, it is found that the welded has more S precipitation than the other two. From the joint distribution of the joint aged by 45 overall hardness, natural aging and 45 have the same trend, but the latter is higher than the former at every area; The hardness distribution of 180 is unregular, but the hardness of the Thermal Mechanical Affected Zone is higher than the Nugget. Because of shortcomings , the tensile strength and elongation of joint aged by three aging system decline. Keywords: 2024 alluminum alloy, Friction stir welding, Ageing, Microstructures and mechanical properties / 12 h. / 10 h / 12 h / 12 h ℃ ℃ ℃ ℃ - 5 -