一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，包括以下步骤：S1、将待焊铝合金工件的表面打磨、清洗；S2、将处理后的待焊铝合金工件固定在搅拌摩擦焊机机床上，进行搅拌摩擦焊，得到FSW铝合金工件；S3、将步骤S2中得到的FSW铝合金工件放到热处理炉中加热到300℃～500℃后保温48～72h，再随炉冷却到一定温度后取出空冷，完成再结晶退火处理；S4、对步骤S3中处理后的FSW铝合金工件进行固溶处理；S5、对步骤S4中处理后的FSW铝合金工件进行人工时效处理。本发明专利技术处理后的铝合金搅拌摩擦焊接头，能够减少面积分数大于90％异常晶粒长大，同时满足强度要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于摩擦焊接
，具体涉及一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，它用于防止在后续热处理及热成形中出现AGG(AbnormalGrainGrowth，异常晶粒长大或者二次再结晶)。
技术介绍
搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)是一种主要用于低熔点合金的固相连接工艺，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶等领域。由于焊接过程中材料不发生熔化，从而避免了普通熔焊工艺容易存在的气孔、裂纹等缺陷，提高铝合金的连接强度。但是由于在连接过程中的热输入的影响，会导致焊缝区强化相的粗化和溶解，使接头软化，因此，对于时效硬化的铝合金，搅拌区的机械性能相比母材要低。搅拌摩擦焊后进行热处理，改变了强化相的大小，使强化相重新分配，能够有效消除接头软化，提高接头强度。尽管FSW焊后进行固溶时效处理能很好的提高接头强度，但是在提高温度时，接头组织会变得极其不稳定。这是因为虽然FSW接头组织焊核区晶粒发生动态再结晶消除了大部分形变储能，但热机影响区的扭曲晶粒仍然存在形变储能，而且焊核区细小晶粒含有大量晶粒，为了减小界面能，晶粒有较大长大趋势。当温度升高，晶界的可动性增加，同时，第二相粒子发生溶解和粗大，对晶界的钉扎作用减小，少数特殊晶粒在较大界面能的驱动下，将迅速迁移，并不断吞噬焊核区细小的再结晶组织，直至相互接触为止，形成晶粒异常长大。这种异常长大的晶粒组织被称为异常晶粒长大或者二次再结晶(AbnormalGrainGrowth,AGG)。焊缝区这种大尺寸的晶粒(最大可达毫米级)的存在，降低了其机械强度、疲劳性能和断裂韧性，同时也会大幅降低搅拌摩擦加工所产生的细晶材料的超塑性。因此需要有效的方法来提高FSW后热处理接头组织的稳定性，抑制AGG的发生。目前，国内外控制FSW后热处理接头组织稳定性的方法主要通过调整焊接工艺参数、增加第二相粒子等。调整焊接工艺参数，即采用不同的搅拌头转速、焊接速度、多道次焊接等，这种方法通常是通过改变焊接热输入来实现对AGG的控制。然而焊核区晶粒结构不仅受热输入的影响，也受材料流动的影响，导致焊接热输入与AGG关系的规律性并不明显，很难实现对其晶粒热稳定性的控制。增加第二相粒子，即通过第二相粒子的钉扎作用实现接头晶粒结构的热稳定性。这里通常有两种方法：一是在待加工材料中加入钪、锆等元素，通过生成含有这些元素的热稳定性高的第二相粒子，即使高温热处理，这些弥散相也不会溶解和粗大，并且分布在晶粒边界，从而防止接头组织出现AGG，但是通过改变整个待加工材料的化学成分来实现增强第二相粒子的晶界钉扎作用，无疑会大大增加生产成本；二是在FSW过程中，通过焊料添加的形式在接头处引入第二相颗粒，增加焊缝部分第二相浓度，这种焊缝局部改变的方法更加简单实用，然而，由于搅拌摩擦焊接过程中材料宏观流动剧烈而微观流动有限，经过简单的一两道次焊接很难得到在焊核区中的较好的分散的第二相颗粒，需要经过多道次的反复焊接才可能实现微米级的第二相颗粒，而纳米级的粒子大多仍处于团聚状态。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头在后续热处理及热成形中晶粒异常长大的方法，它通过热处理本身来控制接头组织稳定性，可以有效解决铝合金搅拌摩擦焊接头直接固溶热处理造成晶粒会发生异常长大的难题，提高搅拌摩擦焊接接头质量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，包括以下步骤：S1、将待焊铝合金工件的表面打磨、清洗，以去除氧化膜和杂质；S2、将步骤S1中处理后的待焊铝合金工件固定在搅拌摩擦焊机机床上，设定焊接工艺参数，进行搅拌摩擦焊，得到FSW铝合金工件；S3、再结晶退火处理：将步骤S2中得到的FSW铝合金工件放到热处理炉中加热到300℃～500℃后保温48～72h，再随炉冷却到一定温度后取出空冷，使焊核区细小的晶粒发生连续的晶粒长大，从而减小总的晶粒边界能以及晶界的可动性，以减小发生AGG的驱动力，达到抑制AGG发生的目的；S4、对步骤S3中处理后的FSW铝合金工件进行固溶处理，得到过饱和固溶体；S5、对步骤S4中处理后的FSW铝合金工件进行人工时效处理。按上述技术方案，步骤S3中，FSW铝合金工件的再结晶温度低于铝合金固溶线温度，且低于发生AGG的温度。按上述技术方案，步骤S3中，将FSW铝合金工件放到热处理炉中加热到420℃后保温48h，再随炉冷却到150℃后取出空冷。按上述技术方案，步骤S1中，焊接工艺参数为：搅拌头的转速为50～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.2mm。按上述技术方案，步骤S4中，固溶处理过程为：将FSW铝合金工件放到电阻炉或真空电阻炉中以450℃～550℃温度保温0.5～2h，然后取出水淬。按上述技术方案，步骤S5中，人工时效处理过程为：将FSW铝合金工件放到电阻炉或真空电阻炉中以140℃～190℃温度保温4～16h，然后取出空冷。按上述技术方案，所述铝合金工件为可热处理强化的2000系、6000系和7000系铝合金工件。本专利技术，具有以下有益效果：该方法在搅拌摩擦焊后、固溶处理前增加一个长时间的再结晶退火处理，使接头组织发生连续晶粒长大，减小了总的晶粒边界能以及晶界的可动性，减小发生AGG的驱动力，从而抑制AGG的发生，获得良好的力学性能。再结晶退火处理的关键在于再结晶退火温度的选择，该温度要低于固溶线温度，且低于发生AGG的温度(TAGG)以下某一较高温度(通过一批实验找到不发生AGG的温度，但是这个温度要尽量高，再用这个温度做较长时间退火)，同时，退火温度的选择也会受铝合金中的合金元素和焊接过程中的工艺参数的影响。因为连续晶粒长大是一个缓慢的过程，要想得到正常长大的接头微观组织，退火时间必须延长，至少要48h。因此，固溶前的退火处理是重塑已经存在的晶粒结构，减少焊缝部分驱动AGG发生的储存能，而不是调整第二相粒子尺寸和分布来控制AGG的发生。Humphreys在微观组织上抑制AGG的模型为我们提供了很好的理论指导，即必须减小不稳定组织和其周围组织之间晶粒尺寸、晶界能以及晶界可动性的差异，才能抑制固溶过程中AGG的发生，而本专利技术在FSW接头固溶前的再结晶退火处理，正是消除焊缝组织之间的差异，从而达到抑制AGG的目的。本专利技术保证了铝合金搅拌摩擦焊接头焊后热处理组织的稳定性，抑制了接头组织异常晶粒长大的发生，能够减少面积分数大于90％异常晶粒长大，挺高了接头的强韧性和抗疲劳性能，满足强度要求。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例的热机加工路线图图2a是采用本专利技术对2024-O铝合金FSW接头处理后的整个焊缝的金相图；图2b是采用传统步骤对2024-O铝合金FSW接头处理后的整个焊缝发生AGG的金相图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本专利技术的较佳实施例中，一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、将待焊铝合金工件的表面打磨、清洗，以去除氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将待焊铝合金工件的表面打磨、清洗，以去除氧化膜和杂质；S2、将步骤S1中处理后的待焊铝合金工件固定在搅拌摩擦焊机机床上，设定焊接工艺参数，进行搅拌摩擦焊，得到FSW铝合金工件；S3、再结晶退火处理：将步骤S2中得到的FSW铝合金工件放到热处理炉中加热到300℃～500℃后保温48～72h，再随炉冷却到一定温度后取出空冷，使焊核区细小的晶粒发生连续的晶粒长大，从而减小总的晶粒边界能以及晶界的可动性，以减小发生AGG的驱动力，达到抑制AGG发生的目的；S4、对步骤S3中处理后的FSW铝合金工件进行固溶处理，得到过饱和固溶体；S5、对步骤S4中处理后的FSW铝合金工件进行人工时效处理。

【技术特征摘要】
1.一种抑制铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将待焊铝合金工件的表面打磨、清洗，以去除氧化膜和杂质；S2、将步骤S1中处理后的待焊铝合金工件固定在搅拌摩擦焊机机床上，设定焊接工艺参数，进行搅拌摩擦焊，得到FSW铝合金工件；S3、再结晶退火处理：将步骤S2中得到的FSW铝合金工件放到热处理炉中加热到300℃～500℃后保温48～72h，再随炉冷却到一定温度后取出空冷，使焊核区细小的晶粒发生连续的晶粒长大，从而减小总的晶粒边界能以及晶界的可动性，以减小发生AGG的驱动力，达到抑制AGG发生的目的；S4、对步骤S3中处理后的FSW铝合金工件进行固溶处理，得到过饱和固溶体；S5、对步骤S4中处理后的FSW铝合金工件进行人工时效处理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，FSW铝合金工件的再结晶温度低于铝合金固溶线温度，且低于发生AGG的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志力，万心勇，戴明亮，华林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42