Q235鋼旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭的組織與性能

常迅偉，柯黎明，楊成剛，卜文德，陳細(xì)亮

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引 言

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中存在許多軸狀和環(huán)狀工件的連接，如，軋鋼中的軋輥芯軸與硬質(zhì)合金環(huán)的連接以及齒輪制造中碳鋼或硬質(zhì)合金等軸狀與環(huán)狀工件的連接［1］。由于軸狀和環(huán)狀工件的連接面是環(huán)形旋轉(zhuǎn)面，連接面積大，一次性連接的難度很大，采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等方法很難實(shí)現(xiàn)。目前常用的連接方法有粘接、鍵連接、整體釬焊等方法，這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形旋轉(zhuǎn)面的連接，但也還存在一些問題，如粘接強(qiáng)度不夠高，在光、熱、空氣等因素的作用下，膠黏劑會產(chǎn)生老化、斷裂、產(chǎn)生氣泡等現(xiàn)象，影響使用壽命，并且粘接工藝的影響因素多，難以控制，檢測手段還不完善；鍵連接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂［1］；整體釬焊耗能高，加熱冷卻速率緩慢，易使釬焊接頭產(chǎn)生脆性相［2］。

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱量，使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài)后迅速頂鍛，從而完成焊接的一種壓焊方法。摩擦產(chǎn)生的界面熱已被用于攪拌摩擦焊［3－4］、線性摩擦焊［5］、慣性摩擦焊［6］等，但卻很少被用于釬焊連接。西安交通大學(xué)焊接研究所將釬料鋪在鋁板和鋼板之間，利用無針攪拌頭在鋁板表面攪拌摩擦產(chǎn)生的熱量將釬料熔化，成功制備了鋁／鋼雙金屬復(fù)合板［2］。作者基于釬焊和摩擦焊理論，用自制的旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊焊接裝置對軸狀和環(huán)狀工件進(jìn)行焊接，測量了焊接過程中接頭不同位置的溫度，分析了焊接接頭的組織和性能，并與傳統(tǒng)的爐中釬焊做了對比，為這種新型焊接方法的深入研究奠定了基礎(chǔ)，同時為其投入實(shí)際生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用直徑為69.00mm的旋轉(zhuǎn)軸和內(nèi)徑為69.24mm的環(huán)狀零件（非旋轉(zhuǎn)件）作為待焊的兩個工件，如圖1所示，工件材料均為Q235鋼，環(huán)狀工件的厚度為6mm，焊接高度為30mm。釬料選用S－Sn63PbA焊絲和上海金雞焊錫膏廠生產(chǎn)的金雞焊錫膏，釬料的固相線溫度為183℃，液相線溫度為190℃。

爐中釬焊試驗(yàn)用Q235鋼片的尺寸為60mm×20mm×1mm，搭接長度為3mm。

試驗(yàn)前用砂紙輕微打磨工件后將其放入體積分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液中清洗20min，以除去待焊工件表面的氧化膜，裝夾前用丙酮擦洗工件表面，將焊錫膏涂抹在兩工件連接面上及錫鉛釬料絲上。采用自制的一套焊接裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊，通過PLC可編程控制器控制氣缸的動作順序，從而改變環(huán)狀工件四周徑向力的大小、方向以及調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的轉(zhuǎn)速，從而控制旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊焊接面的溫度；利用工件旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的熱量將釬料熔化、潤濕并填充于工件間隙而形成釬焊接頭。測溫設(shè)備為PS－010測溫板，通過熱電偶測溫；旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊的焊接轉(zhuǎn)速為1180r·min－1，焊接徑向壓力為1220N，焊接間隙為0.12mm，焊接時間為10min。

爐中釬焊試驗(yàn)在SX2－10－13型箱式電阻爐中進(jìn)行，釬焊溫度為260℃，保溫時間為60s。

焊后沿環(huán)形接頭縱截面等距截取金相試樣，采用XJP－2C型倒置光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，腐蝕液為4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液；通過自制的剪切試驗(yàn)夾具在WDS－100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測焊接接頭的抗剪強(qiáng)度，最大加載力為10kN，拉伸及下壓速度為1mm·min－1，取3個試樣的平均值，所得試驗(yàn)結(jié)果均為去除釬角后獲得的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

圖2（a）中的a，b，c三點(diǎn)為焊接過程的測溫點(diǎn)。由圖2（b）可知，在接頭不同位置的兩工件連接處，釬料填縫飽滿，釬角過渡圓滑，焊縫成形良好。由圖2（c），（d）可以看出，環(huán)形旋轉(zhuǎn)面內(nèi)部釬料同樣填滿釬縫間隙，釬縫表面未產(chǎn)生缺陷，形成了良好的釬焊接頭。這是由于焊接過程中環(huán)形旋轉(zhuǎn)面四周溫度分布均勻，液態(tài)釬料在母材表面潤濕鋪展良好，同時釬劑能較好地去除液態(tài)釬料及母材表面的氧化物，使兩者充分接觸；液態(tài)釬料通過毛細(xì)作用和工件間的旋轉(zhuǎn)擠壓作用均勻填滿釬縫間隙，并且液態(tài)釬料與母材相互溶解和擴(kuò)散，形成了界面沒有缺陷的釬焊接頭。可見，以摩擦熱作為熱源的旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊可以實(shí)現(xiàn)軸狀和環(huán)狀工件的良好連接。

2.2 溫度分布

釬焊溫度是釬焊過程中最重要的工藝參數(shù)，直接影響釬料的熔化和填縫效果，進(jìn)而影響釬焊的質(zhì)量。圖3中的通道1、通道2和通道3分別與圖2中的a，b，c點(diǎn)相對應(yīng)。從圖3可以看出，在摩擦焊初期各點(diǎn)溫度迅速上升，隨著時間的延長，接頭各處的溫度在上升過程中伴隨著小范圍的波動，當(dāng)達(dá)到一定時間后，摩擦面產(chǎn)生的熱量和導(dǎo)出的熱量達(dá)到了動態(tài)平衡，溫度不再上升，基本保持平穩(wěn)；添加釬料并經(jīng)一定時間后，接頭各處的溫度開始下降。通道1處的最高溫度為265℃，通道2處的最高溫度為260℃，通道3處的最高溫度為270℃，均在釬料的液相線以上，且從焊接開始時刻到焊接結(jié)束的過程中三處的溫度分布較均勻，這說明通過專門設(shè)計(jì)的焊接裝置能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程中溫度的均勻分布，并且可以施加足夠的徑向壓力，使兩工件在旋轉(zhuǎn)摩擦過程中產(chǎn)生充足的熱量將釬料熔化，從而在整個結(jié)合面上形成均勻熔化的釬料層。

2.3 顯微組織

從圖4中可以看出，母材與釬縫有明顯的分界線，且不存在明顯的過渡層組織，具有很明顯的釬焊界面特征；釬料的顯微組織與兩側(cè)母材組織明顯不同。圖中A處為釬縫與軸狀工件一側(cè)的界面，可以看出釬縫與軸狀工件結(jié)合處界面線呈波浪狀，且連接致密，界面線附近的晶粒明顯變小。圖中B處為釬縫中心的組織，可以發(fā)現(xiàn)釬縫中心組織呈兩相交替分布特征，細(xì)小分散，其中白色物質(zhì)為錫基固溶體，黑色條狀小顆粒為鉛基固溶體，這主要是由于釬焊過程中溫度下降很快，組織來不及長大，快的冷卻速率有利于晶粒細(xì)化，能提高接頭的性能；同時釬縫中心出現(xiàn)了很多大的黑色團(tuán)聚物，這可能是由于釬料本身含有一些富含錫和鉛的樹枝狀粗晶，在旋轉(zhuǎn)摩擦擠壓力作用下，這些相鄰的晶核相交長大，發(fā)生團(tuán)聚，均勻地分布在焊縫中心。圖中C處為釬縫與環(huán)狀工件一側(cè)的界面，可以看出釬縫與環(huán)狀工件結(jié)合處平整，界面線呈直線狀，沒有明顯的界面區(qū)和釬料擴(kuò)散區(qū)，母材組織未發(fā)生改變。釬縫與兩側(cè)工件結(jié)合處的界面線形態(tài)不同，其原因主要是在焊接過程中環(huán)狀工件不旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)表面只在焊接裝置產(chǎn)生最大合力的位置發(fā)生摩擦，其余部分區(qū)域只是靠熱傳導(dǎo)獲得熱量，從而與釬縫形成的界面線大部分為直線狀；而軸類工件旋轉(zhuǎn)，其表面各處與環(huán)狀工件不斷發(fā)生摩擦，在摩擦力的作用下，形成凹凸不平的表面，從而與釬縫形成的界面線為波浪狀。

圖4 旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭的顯微組織Fig.4 Microstructure of rotation friction brazed joint

由圖5可知，爐中釬焊接頭的母材和釬縫有明顯的分界線，焊縫兩側(cè)界面平坦，界面線均呈直線狀，釬縫中心除了交替分布的細(xì)小錫基和鉛基固溶體顆粒外，同樣也出現(xiàn)了一些板條狀和小顆粒狀黑色團(tuán)聚物，其成分與在旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭中發(fā)現(xiàn)的黑色團(tuán)聚物相同，都為富含錫和鉛的粗晶顆粒，所不同的是其數(shù)量和分布不同，爐中釬焊接頭中這種富含錫和鉛的粗晶顆粒數(shù)量較少，且分布不均勻；而旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭中的數(shù)量較多，分布較均勻，對焊接接頭起到了彌散強(qiáng)化的作用。

圖5 爐中釬焊接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of furnace brazed joint

2.4 力學(xué)性能

爐中釬焊接頭的平均抗剪強(qiáng)度為30.33MPa，旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭的平均抗剪強(qiáng)度也達(dá)到了爐中釬焊接頭的96%（29.12MPa），最大抗剪強(qiáng)度達(dá)到了36.28MPa；同時，旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭的有效搭接長度為30mm，一次搭接面積達(dá)到了6499.8mm2，這是爐中釬焊難以實(shí)現(xiàn)的。通過分析旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭斷口發(fā)現(xiàn)，試樣均斷裂在靠近焊縫中心的部位，這表明釬縫中心的強(qiáng)度低于擴(kuò)散區(qū)和釬縫界面區(qū)的。

3 結(jié) 論

（1）旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭各處的溫度分布較均勻，且都達(dá)到了釬料的熔化溫度，焊縫中釬料潤濕鋪展良好，形成了較好的釬焊接頭；釬縫兩側(cè)界面線形態(tài)不同，靠近軸狀工件一側(cè)界面線呈波浪狀，靠近環(huán)狀工件一側(cè)的界面線呈直線狀。

（2）旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊與爐中釬焊的釬縫中心組織均為錫基固溶體和鉛基固溶體，以及一些富含錫和鉛的粗晶顆粒，但是爐中釬焊接頭中的這種粗晶顆粒數(shù)量較少，且分布不均勻，而旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭中的數(shù)量較多，且分布較均勻，對焊接接頭起到了彌散強(qiáng)化作用。

（3）旋轉(zhuǎn)摩擦釬焊接頭的平均抗剪強(qiáng)度達(dá)到了爐中釬焊接頭平均抗剪強(qiáng)度的96%，局部最高抗剪強(qiáng)度達(dá)到了36.28MPa。

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