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1 引言
( ]) V$ y; o9 w, ]3 D w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。: S. j+ R% V2 Z+ m% X$ h2 t
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。 u5 `( x/ l7 D2 N' e5 i
2 试验方案" V# I/ q6 U; U3 f
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。
" ~3 r' D q9 Q3 t x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。9 e# b5 f. H5 L/ z8 f
3 试验结果及分析% C7 e. M) u9 K) I2 q
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。! n, ?# C/ c: u! t
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。: V, \) M# k7 i! a
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。+ j4 Y7 ]8 x; h6 ]9 d
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)
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$ u' S% G& y, t W: Q+ R" CⅠ—母材区Ⅱ—母材与热影响区的过渡区Ⅲ—热影响区( I" Z1 v% y$ ^
白色晶粒为铁素体，细小的黑色晶粒为珠光体& R: [2 g& F% v' g5 m. ?: S
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): j3 ]& a+ V' E8 x/ Y0 c B O- M0 @
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）。
% R" y7 p& q. N0 z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。" r( J0 d1 v- O6 L5 A" q" I$ d" K6 Q* E
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)9 t/ s* |' @/ v# b B9 a% E6 n
4 结论$ @5 x% p- D" \3 @4 ^/ x1 Y! j
（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。8 G/ w& |/ K3 \, v+ t) q; p# Y5 X
（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。
9 A/ a/ p& a6 P( S1 A/ j（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