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摘 要 ：采用搅拌摩擦焊接技术将2014-T651 铝合金板成功焊接成T 型，并研究了焊后热处理对材料力学性能的影响。采用硬 度测试和弯曲测试来评估其力学性能。结果表明，材料的各区域在热处理后硬度均发生了下降，在400℃和 535℃下，BM 区域的 硬度分别下降到未处理样品的 78% 和 67.8%。并且， 试样在400℃热处理后呈现韧性， 在 500℃后呈现脆性。
关键词 ：搅拌摩擦焊 ；铝合金 ；力学性能 ；焊后热处理
铝合金作为典型的轻金属合金被广泛应用于航空航天领域。 从最新的研究中表明，在先进航空铝合金中，2000 系和 7000 系 铝合金和新一代 Al-Li合金有了很大的发展 [1，2]。T 型结构件由于 其独特的几何特征在运输业中有着不可替代的作用。例如， 在航 空器的制造中，铝合金经常被焊接成T 型来制造面板、横梁等部 件 [3]。FSW 是一种先进的轻合金连接技术，能够解决很多传统焊 接工艺（如激光焊接）中的一系列缺陷， 例如气孔， 热裂等， 因此， FSW 有望成为航空航天领域中大部分金属结构的连接工艺 [4]。
近年来，对T 型2000 系铝合金材料力学性能的优化仍然是 一个挑战。研究表明， 焊后热处理对铝合金的力学性能有较大影 响。在热处理中，如析出强化、粗化、取向生长、回复和再结晶 等都会影响材料的微观组织， 进而决定材料的力学性能。硬度试 验、拉伸或者弯曲试验是评价铝合金搅拌摩擦焊力学性能的常 用方法 [5]。然而，热处理对 FSW T 型 2000 系铝合金力学性能的 影响仍缺乏研究 [6]。
在这篇文章中，2014-T651 铝合金板通过搅拌摩擦焊被成功 焊接成T 型，采用适当的热处理进行对比。通过弯曲测试和硬度 测试研究了不同热处理温度对材料力学性能的影响。
1 实验部分
本实验选用 2014-T651 铝合金，通过搅拌摩擦焊将材料焊 接成为T 型结构（如图 1）。将焊后试样切成 10份（4mm x 6mm x 40mm），编号 1 到 10 备用。本实验的热处理方案是将试样分别 加热至400 ℃ 和 535 ℃，保温 7 小时， 缓慢炉冷至室温。
采用MATSUZAWA 型维氏硬度计对不同状态的试样（未处理、400℃热处理、535℃热处理） 进行显微硬度测试，硬度测试 方向平行于焊接线方向，并且跨过T 型连接件的不同区域（BM、 SZ、HAZ 和 TMAZ）。硬度测试间隔为 1mm， 测试负载为0.5HV, 压头每次压力为 0.5kg，每点保持 5 秒。弯曲测试采用 Instron 5569 型试验机（如图 2）。
2 结果和讨论
2.1 硬度试验
由图 3 可知，不同热处理温度下，搅拌摩擦焊 T 形铝合金 2014-T651在远离焊缝方向的硬度变化基本相同，各状态的硬度 曲线均呈“V”形。这些V 形硬度曲线表明过渡区（TMAZ/HAZ） 为软化区。对于原始样品（蓝色曲线），BM 区域的硬度最高（150 HV）。SZ 区域（焊缝附近） 的硬度约为BM 区域的 85%（接近 130 HV）。软化区在TMAZ 区域附近（距离焊缝 6mm），约为BM 区 域的 73%（112HV）。软化区的出现可能是由于在搅拌摩擦焊接 过程中，摩擦热引起 SZ 区域和TMAZ/HAZ 区域发生退火，导 致出现第二相强化，而远离焊接区的BM 区域很少受到影响。第 二个原因是TMAZ 区域的晶粒尺寸大于 SZ 区域。由于上述两个 原因， 过渡区（TMAZ/HAZ） 成为原始试样的软化区。
除此之外，与未加热试样相比，加热试样各区域的硬度均显 著降低，且加热温度越高，硬度越低。第一个原因是由于高温导 致晶粒粗化。同一材料的晶粒尺寸越大，硬度越低。其次是具有 固溶强化作用的第二相随温度升高而变粗或不断溶解，导致硬 度降低。
2.2 弯曲试验
图4（a）、（b）和（c）分别显示了不同热处理参数下搅拌摩擦 焊 T 型接头沿纵梁的断裂特征。图 5 是这些样品对应的弯曲试 验曲线图。试样（a）的断裂面为特征弯曲断裂面，原始试样的弯 曲曲线（蓝色曲线） 为经典弯曲曲线，在弯曲试验中，弹性变形 和塑性变形依次发生， 最终屈服断裂。断裂试样（b）为韧性断裂， 其断裂时间约为试样（a）的两倍。试样在 400℃加热下的塑性变 形（红色曲线） 超过 5mm 且无断裂发生，表明 400℃的热处理温 度引起了晶粒的部分再结晶， 使晶粒尺寸变大而不至粗大， 具有 良好的塑性。试样（C）在加热温度为 535℃时发生脆性破坏，在 加载后的短时间（5s）内断裂， 修正位移仅为 1.26mm（黑色曲线）。 试验结果表明，当热处理温度过高（535℃时），导致晶粒粗大且 第二相沿晶界析出， 降低了材料的韧性， 导致脆性断裂。
综上所述，力学性能测试结果表明，焊缝附近是搅拌摩擦焊 T 型铝合金2014-T651 的断裂部位，焊后热处理温度对材料的弯 曲性能有明显影响。适当的加热温度可以提高材料的韧性和延 展性， 但过热条件（535℃）会使材料更脆， 加速材料的断裂。
3 结论
焊后热处理对试样各区域的力学性能都有明显的影响。其 中，热处理对 SZ 区的影响最大，SZ 区晶粒的再结晶是主要原 因。硬度测试表明，试样的硬度随着加热温度的升高而降低。热 处理后，BM 区域的硬度分别下降到原始试样的 78%（400℃）和 67.8%（535℃）。在弯曲试验中，焊缝附近是弯曲断裂的位置。 400℃的热处理温度提高了铝合金的塑性，而 535℃的过热温度 会导致过多的粗晶和析出物， 从而导致脆性断裂。
参考文献
[1] A.H.Rosenstein,Overview of research on aerospace metallic structural materials,Mater.Sci.Eng,143(1991)31–41.
[2] T.Dursun and C.Soutis,Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys,J.Mater.,56(2014)862–871.
[3] X.Hou,X.Yang,L.Cui,et al,Influences of joint geometry on defects and mechanical properties of friction stir welded AA6061-T4 T-joints,Mater.Des.,53(2014)106–117.
[4] P.L.Threadgill et al,Friction stir welding of aluminium alloys Friction stir welding of aluminium alloys,Int.Mater.Rev,6608(2013)2009.
[5] U.Das,R.Das,V.Toppo,et al,Experimental Study on Tensile and Bending Behavior of Friction Stir Welded Butt Joints of Dissimilar Aluminum Alloys,Mater.Today Proc.,18(2019)4717–4723.
[6] P.Rao,Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Lap Welded Aluminum Alloy AA2014,J.Mater.Sci.Technol.,28(2014)414–426.
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