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1 引言1 J9 Z3 {) {7 b
搅拌摩擦焊接（FSW）作为一种先进的固态连接技术，与其他焊接方法相比，具有不可比拟的优越性：a.生产成本低，焊接过程中材料损耗很小；b.可获得质量良好的焊接接头；c.工作条件好，无粉尘、烟尘、飞溅、辐射等对操作者有害的物质；d.对于传统焊接方法来说“不能焊接”或“难焊”的材料，也可以获得较好的焊接质量。
) E, b1 J9 h* }6 U) I+ b$ H目前，对于搅拌摩擦焊的研究主要集中在铝合金的焊接上，如2000系、6000系、7000系等铝合金的搅拌摩擦焊接，而且已成功应用于航空工业，也成功实现了镁合金、铝锂合金、铜、异种金属（如铝合金与纯铜、铝合金与低碳钢）的搅拌摩擦焊接，现在正逐步扩展到钢、钛合金等其他材料的焊接中去。在钢的焊接中，FSW与传统焊接方法相比，具有突出的优点：较低的热能量输入可限制热影响区（HAZ）中晶粒长大、变形，减小残余应力，此外，因为FSW是在低于熔点的状态下进行焊接，钢的氢脆现象可以很好地被消除。所以，研究钢的搅拌摩擦焊接技术具有重要的实际应用价值。
4 R+ `; y! u- `3 b) {2 _( I Z2 试验方案0 I! ~6 p3 L, P8 n! D
选用3mm厚的Q235低碳钢板，打磨对接接头的边，焊前用稀硫酸水溶液对工件表面进行酸洗，再用清水冲洗，然后用酒精清洗并吹干。试验设备采用自行改装的搅拌摩擦焊设备，为减小焊接过程中热量散失，选用石材做垫板。搅拌头的轴肩直径为13mm，搅拌针长度为3mm，根部直径6mm，锥度15°，为了在高温下也具有良好的红硬性、耐磨性，选用钼合金作为搅拌头材料。
" I- [2 K( }: O0 T试验分为两组，一组在焊接过程中采用辅助热源，另一组只在焊接初始进行预热。搅拌头转速n＝1170rpm,焊接速度分别为υ1=52mm/min、υ2=36mm/min。焊接过程中可见搅拌头的轴肩部分和飞边金属呈桔黄色，焊接温度应在1000℃以上。焊后在试件中间部位沿横截面取试样，因为这部分区域焊接参数比较稳定，将试样打磨、抛光，用4％硝酸酒精溶液进行化学腐蚀，再用丙酮清洗，干燥后置于光学显微镜下观察接头金相组织，用CE2500型号摄影仪拍摄金相照片。* t7 g3 B* G- a- }& k% r
3 试验结果及分析
. S% C% B$ G t6 d# Y: h1 {% F& b图1为母材的微观组织。由图1可以看出，作为亚共析钢，母材的金相组织主要由铁素体和细小的粒状珠光体组成，铁素体呈等轴晶粒，粒状珠光体弥散分布在粗大的铁素体晶粒中。
- D5 J6 T% k: p2 T5 o7 g$ c- @低碳钢搅拌摩擦焊接的接头呈现焊缝中心的搅拌区、相邻的热影响区以及母材区三个明显不同的微观组织区域，热机械影响区很不明显。
& Y% f& \/ Y$ K" c# D2 x( i图2为热影响区的50倍放大照片。由图2可见，热影响区的晶粒非常细小。图3所示为热影响区与母材区过渡部分，这部分金属在焊接过程中温度达到A1～A3范围，发生部分相变，冷却时奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体晶粒，与粗大的未发生相变的母材晶粒混合存在。铁素体呈等轴晶粒，因为温度较低，形成极细小的珠光体呈网状分布于晶界处。$ z9 s' w9 ~2 M3 J; [& _' _9 L3 S
图2 Q235A焊接接头的热影响区(×50) 图3 母材与热影响区过渡区(×50) / ]! {6 }5 U2 j- f/ E' E
& ~5 y5 S& S( _) YⅠ—母材区Ⅱ—母材与热影响区的过渡区Ⅲ—热影响区
; M( v8 x2 ^6 {; l9 x5 A* W/ x白色晶粒为铁素体，细小的黑色晶粒为珠光体1 ^' k* b$ O. N$ c, J. M& `9 d
图4 接头的热影响区的金相组织(×50) 图5 热影响区临近搅拌区域的组织(×50)
8 I8 u! E8 O* t2 d3 D图4、图5为焊接接头热影响区的组织。该区域在焊接过程中温度达A3以上，铁素体和珠光体完全转变成奥氏体，由于加热速度较快，在高温停留时间短，奥氏体起始晶粒细小，且来不及长大，冷却后形成细小的铁素体晶粒，珠光体的数量和晶粒度也大大增加，并呈现出明显的球化趋势。在接近搅拌区处，加热温度很高，奥氏体晶粒开始长大，冷却后得到的晶粒也较粗大（如图5所示）。) g( _$ G- z6 U6 T
搅拌区在焊接过程中不仅受到热的作用，还受到搅拌头的力的作用，焊后得到的组织与热影响区有极大不同。图6可以看到，因为在焊接过程中温度已经达到1000℃以上，原母材晶粒全部奥氏体化，在高温下，奥氏体极易长大，但由于搅拌头的搅拌作用，搅拌区的金属产生塑性变形，发生强烈的动态再结晶，从而抑制了晶粒长大，所以奥氏体长大不严重。冷却过程中首先在奥氏体晶界析出细小的等轴状铁素体晶粒，随着温度降低，最终获得先共析铁素体（小晶粒）、铁素体（大晶粒）、珠光体及杂质所形成的弥散相。图7显示，由于加了辅助热源，奥氏体晶粒快速长大，获得的铁素体晶粒比没有加辅助热源时粗大的多，且因为塑性变形，晶粒被拉长而成长柱状，而珠光体大多成片状，并同样有较小的先共析铁素体在晶界处析出。
1 Q) ~5 D( X S 图6 无辅助热源焊接接头的搅拌区组织(×100) 图7 加辅助热源焊接接头的搅拌区组织(×100)
% k+ E2 @/ u5 k) y4 [2 Q4 结论
% M2 s1 ^0 r# T; x- p（1）低碳钢可以采用搅拌摩擦焊技术焊接，并可得到良好的焊接质量。
4 M: j, a, [9 [% B4 O（2）热影响区与搅拌区的晶粒比母材区细小得多，晶粒细化十分明显，可以获得具有良好性能的焊接接头。) V) u2 v( W% \' z7 Y
（3）获得较好的焊接接头的前提下，在一定范围内改变焊接工艺参数对接头的组织影响不大，而在相同的焊接工艺参数下，采用辅助热源可使晶粒显著粗大。 |
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发表于 2009-5-2 18:20:45