退火处理对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响★

2022-01-24孙新和梁言文郭熊熊李亚杰

山西冶金 2021年5期

孙新和，梁言文，郭熊熊，陈梦，李亚杰

（1.太原科技大学华科学院，山西太原 030024；2.太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

镁合金由于具有较低的密度和较高的比强度等优点，在装备制造业和轨道交通领域具有很好的应用前景，利用固态的搅拌摩擦焊接方法可以实现镁合金的良好连接，获得无气孔、夹杂等缺陷的冶金结合接头。但是，搅拌焊接过程也会使结构出现一定的程度的应力集中，从而影响镁合金接头的力学性能和外观变形性。本文通过研究AZ31接头在退火处理过程中的组织演变，通过调整退火温度和保温时间，实现接头组织和性能的优化，从而提升接头的综合力学性能，具有一定的工程研究意义。

1 实验方法及设备

6 mm厚的压铸态AZ31板材为原材料，其成分见表1。原始金相组织如图1所示，通过垂直于厚度方向切成金相试样。焊接工艺参数转速为1400r/min，焊接速度为200 mm/min获得了无缺陷的焊接头。然后对接头进行不同的退火实验，退火温度为150～300℃，退货时间为15～120 min。最后利用万能试验机进行力学性能测试。

表1 AZ31镁合金的元素组成 %

图1 压铸态AZ31镁合金的原始金相组织

2 实验结果与分析

图2所示为压铸态镁合金搅拌摩擦焊接头焊态及200℃和300℃退火60 min后获得试样，其焊缝中心的金相形貌如2所示，退火处理使得该部位的晶粒尺寸变得更加均匀。随着退火升高，晶粒尺寸出现一定的粗化。由于搅拌摩擦焊接焊合区再结晶程度比较高，退火工艺不会明显改变该区域的晶粒尺寸，只能一定程度上影响该区域的晶粒均匀性。

图2 AZ31接头焊核区的金相组织

接头通过不同温度退火60 min后（其过渡区的微观组织见图3），通过较低的退火温度（150℃）处理后，过渡区域的晶粒均匀仍然很差，一些原始的粗大的晶粒团聚在局部区域，见图3-1。将退回温度升高到200℃后，见3-2，过渡区的组织分布得到了一些改善，大小晶粒的混晶分布情况得到一定的缓解，一些新产生的细晶在原始晶界处以项链状形貌出现，最大的晶粒尺寸均保持在80μm以下，过渡区宽度增加且晶粒尺寸过渡平缓，一些项链状的晶粒沿着原始粗大晶粒产生。进一步提高退火温度到250℃和300℃时，部位区域的晶粒出现明显的粗化现象，如图3-3和3-4。因此，通过过渡区域的组织分析，表明200℃的温度较为合适，可以一定程度的扩大过渡区域的总体宽度，并明显改善界面处的组织均匀性。此外，通过控制退火温度为200℃来分析不同保温时间对搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响规律。

图3 AZ31接头过渡区在不同退火条件下（保温60 min）的金相组织

为了研究退火时间对接头组织和性能的影响，图4为接头过渡区在固定退火温度为200℃不同退火时间下的显微组织分布。

图4 AZ31接头在200℃退火不同时间后前进侧界面位置的微观照片

由图4可以看出当在较短退火时间（15 min），过渡区组织具有显现出较低的再结晶程度，见4-1和4-2所示。然而，进一步延长退火时间到120 min后，该区域的部分晶粒会出现明显的粗化现象，见图4-3。图4-4为焊态接头过渡区组织，可以看出焊态在过渡组织分布及其不均匀，存在明显界面，再结晶程度较低。因此，我们可以得出结论，从微观组织的分析来看，针对搅拌摩擦获得的对AZ31接头，退火温度为200℃，保温时间30 min可以明显的改善界面组织分布。

图5所示为接头单轴拉伸后获得的曲线，接头拉伸应力-应变曲线的变化在退火处理前后的呈现出类似的变化特征。结果表明，接头的强度对退火温度不敏感，而合适的退火温度会改善接头的延伸率。当退火温度从150℃增加到300℃的过程中，焊接接头的塑形变形能力出现先升高后降低的变化规律，最适合的退火工艺为200℃+30 min，接头的伸长率提高到13%。综合微观组织演变、拉伸强度和延伸率可以得出结论，AZ31镁合金在退火工艺为200℃+30 min条件下可以一定程度上提升接头的延伸率，而不会明显降低接头强度。