《MSEA》搅拌摩擦焊后热处理对铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响

　　由于铝合金广泛的工业应用，专门针对其连接工艺进行了许多研究。但是，由于它们的高导热性，高膨胀系数，高氧化敏感性等，也带来了不少挑战。对于轻型结构，通常采用传统的焊接技术，例如金属惰性气体（MIG）焊接和钨极惰性气体（TIG）焊接，导致典型的树枝状显微组织，强度差，焊接接头固态裂纹，从而降低了这些合金接头的机械性能。

　　在所有用于金属连接的技术中，搅拌摩擦焊（FSW）在过去的几十年中受到了广泛的关注，并且在当今已经被频繁使用。FSW是一种固态焊接工艺，将旋转工具插入要连接的板邻接边缘。许多研究都关注这类合金的FSW接头性能，但对其循环特性的关注则较少。对于循环载荷下的焊接结构设计，普遍的共识是，由于微结构的细化，与传统的焊接技术相比，FSW通常可以改善焊接接头的疲劳寿命。因此，研究其循环特性对于安全可靠的设计非常重要。

　　本研究在恒定应力比（R=0.1）下，分析了搅拌摩擦焊接2024铝合金焊后热处理（PWHT）对接头微观结构和循环特性的影响。相关论文以题为“Effect of post-weld heat treatment onmechanical properties and fatigue crack growth rate in welded AA-2024”于发表在Materials Science and Engineering A。

论文链接：

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

　　熔核区进行焊后热处理后，未观察到明显的晶粒长大，即保留了等轴细晶粒。但是，焊后热处理会导致热机械影响区（TMAZ）和熔核区（NZ）中的粗大析出相重新析出。观察到搅拌摩擦焊后强度的损失是由于析出物的粗化，而析出物在200°C/10h，焊后热处理（PWHT）后发生回复，塑性应变增加到焊接条件下的1.67倍。与190°C相比，PWHT随后在200°C下进行时效，虽然在一定程度上降低了抗拉强度，但在不影响屈服强度的情况下，显着提高了接头的延展性。190°C和200°C的PWHT使硬度在整个焊缝横截面上均匀分布。与190°C相比，200°C的时效温度显示出硬度值的改善，特别是在热影响区，这主要是由于强化析出物的产生。

图1 FSW焊后接头组织

图2（a）焊接条件下焊缝熔核区的SEM图像；（b）熔核区的晶粒尺寸分布

图3在焊接横截面中晶体织构的极图

图4焊接接头横截面的显微硬度分布

在不同的PWHT条件下，疲劳裂纹扩展率的门槛值∆Kth明显不同。与190°C相比，PWHT随后在200°C进行时效导致∆Kth值有所提高。

图5不同热处理条件下焊接接头的裂纹扩展行为

　　总的来说，本文发现焊接工具的转速是控制热量输入，硬度以及焊接接头疲劳裂纹扩展的关键参数。PWHT的焊接接头的延展性和硬度有了显着改善。焊缝搅拌区的硬度值低，疲劳裂纹扩展率高。