冶金企業(yè)的雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭的組織與性能分析

朱曉歐

【摘 要】現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)冶金企業(yè)多采用雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接。文章通過不同的觀測(cè)手段，探究雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭的組織與性能。研究發(fā)現(xiàn)：在合理的工藝參數(shù)下，接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度的82%;焊核區(qū)結(jié)晶會(huì)在一定條件下生成細(xì)小晶粒。可以通過對(duì)斷口的分析證實(shí)，攪拌摩擦焊接頭斷口呈現(xiàn)出明顯的韌窩形態(tài)，并采用相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭各區(qū)的硬度值相比普通材料要更高。

【關(guān)鍵詞】冶金企業(yè);攪拌工藝;摩擦焊接頭;組織;性能

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）03-0125-02

0 引言

攪拌摩擦焊技術(shù)最早起源于英國(guó)，是在傳統(tǒng)熔化焊技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)明的一種新型的攪拌摩擦焊技術(shù)。相比于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，新型攪拌摩擦焊技術(shù)耗能更低，并且不需要其他熱源和氣體的保護(hù)。

攪拌摩擦焊技術(shù)受到工程界的普遍關(guān)注，世界各國(guó)均投入了大量的人力、財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究與開發(fā)，在造船、軌道車輛、航天航空等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著世界工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，焊接設(shè)備的不斷更新，攪拌摩擦焊技術(shù)也在不斷進(jìn)步，這將對(duì)鏈接技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

近年來，許多國(guó)家對(duì)攪拌摩擦焊接頭中材料中的各項(xiàng)性能等進(jìn)行詳細(xì)的分析，并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入的研究，這些研究成果為“T”形接頭的可行性研究提供了有效的依據(jù)。

攪拌摩擦焊是一種在低熔點(diǎn)合金板材的一種新固態(tài)形式的連接技術(shù)[1]。攪拌摩擦焊可以通過不同的焊接形式和焊接技術(shù)表現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)實(shí)焊接的過程中，該技術(shù)依然會(huì)出現(xiàn)很多問題[2]。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)攪拌摩擦焊的工藝技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行了分析。

1 雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭組織分析

1.1 焊核區(qū)微觀組織

摩擦焊接頭的中心位置就是焊核區(qū)，正常焊接時(shí)，焊核區(qū)溫度一般可達(dá)到材料熔點(diǎn)的50%～89%，因此受到攪拌焊接技術(shù)等綜合作用的影響，這一區(qū)域材料會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象，形成等軸晶粒，材料韌性、塑性、強(qiáng)度一般都能通過細(xì)化晶粒提高，攪拌摩擦焊接頭性能相較于傳統(tǒng)熔化焊接頭性能更強(qiáng)。經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微觀組織下摩擦焊接頭組織受旋轉(zhuǎn)速度、橫向速度、壓力等影響。圖1為攪拌摩擦焊原理圖。

1.2 熱機(jī)影響區(qū)微觀組織

熱機(jī)影響區(qū)在攪拌頭及摩擦熱能的共同作用下，一定水平方向下和被拉伸帶狀分布狀況下呈現(xiàn)的晶粒比焊核區(qū)大，且呈長(zhǎng)條狀態(tài)。在與前側(cè)和后側(cè)的焊縫接近區(qū)域中的材料流動(dòng)方向是不一致的，并且沿著焊接壓痕的流動(dòng)模式是前側(cè)，其在焊接壓痕和熱影響區(qū)域中明顯不同，其中一個(gè)塊狀顆粒分布是后退側(cè)，焊接區(qū)和熱機(jī)的沖擊區(qū)沒有顯著差異。前側(cè)的溫度高于后退側(cè)的溫度，因此前進(jìn)側(cè)的晶粒大于后退側(cè)的晶粒[7-8]。

1.3 熱影響區(qū)微觀組織

焊接熱循環(huán)會(huì)對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生唯一的影響，因?yàn)闆]有經(jīng)過機(jī)械的鍛造，所以晶粒不會(huì)發(fā)生相應(yīng)的塑性變形。晶粒在整體上與母材相似，但是晶粒與母材有所不同，會(huì)產(chǎn)生一定的粗化現(xiàn)象。隨著受熱情況的不同，相應(yīng)的晶粒也會(huì)發(fā)生不同程度的粗化，但是前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)組織并不會(huì)產(chǎn)生明顯不同。受熱循環(huán)會(huì)對(duì)熱影響區(qū)材料產(chǎn)生巨大的影響，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生極其不均勻的組織變化，這是該區(qū)域焊接接頭最薄弱的一個(gè)階段。圖2為攪拌摩擦焊設(shè)備實(shí)物圖。

2 雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭性能分析

2.1 力學(xué)性能分析

通過對(duì)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)熔化焊技術(shù)，新型攪拌摩擦焊技術(shù)熱輸入比較低、對(duì)熱影響組織粗化作用更小、摩擦焊縫是細(xì)小的等軸晶體、不存在熔合區(qū)。受復(fù)雜焊接位置限制，摩擦焊在低合金鋼焊接工藝中無強(qiáng)烈優(yōu)勢(shì)，只在比較軟的金屬及特殊材料的焊接過程中起到重要作用[3-4]。

2.2 夏比沖擊試驗(yàn)分析

采用尺寸為55 mm×1 mm×7.5 mm的“V”形缺口沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，表1為攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材的室溫沖擊性能[5-6]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊功最大的是在焊核區(qū)（與母材相比，是母材的6～9倍），沖擊功第二大的是在熱影響區(qū)（與母材相比，是母材的4～5倍），沖擊功最小則是母材。焊接工藝二接頭與工藝一相比，焊核區(qū)沖擊性能更好。從試驗(yàn)的比較結(jié)果來看，工藝一材料相對(duì)于工藝二材料來說，其沖擊性能更差，但攪拌摩擦焊接頭的各個(gè)部分相對(duì)于母材來說，大大地提高了材料在沖擊性能的優(yōu)勢(shì)。

2.3 顯微硬度分析

沿著焊接試板截面截取一段35 mm的試樣，并且在試樣截面上表面、中心線及靠近下表面分別選取出3條線。在試樣長(zhǎng)度的方向上盡量每隔3 mm選擇一點(diǎn)作為硬度測(cè)量點(diǎn)，每條線約38個(gè)點(diǎn)，這樣就能準(zhǔn)確地覆蓋接頭前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)、前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)、焊核區(qū)、后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)、后退側(cè)熱影響區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，焊接接頭各區(qū)的硬度值相比普通材料來說要更高，這也說明摩擦焊接的工藝要優(yōu)于普通的焊接技術(shù)，工藝性是普通焊接遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的[9-10]。

3 結(jié)語

綜上所述，在冶金企業(yè)當(dāng)中采用雙相不銹鋼攪拌工藝摩擦焊接頭技術(shù)連接材料，通過專業(yè)的EBSD可分析出相應(yīng)結(jié)果，明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征就是摩擦旋合界面所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以形成數(shù)量巨大且細(xì)小的等軸晶;劇烈摩擦及剪切則會(huì)嚴(yán)重影響熱機(jī)影響區(qū)的運(yùn)行，塑性變形會(huì)在α相和γ相的作用下發(fā)生，從而導(dǎo)致晶粒在不同程度上被拉長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶則是由于摩擦界面及旋合區(qū)共同作用發(fā)生的結(jié)果，相應(yīng)的殘余應(yīng)力則會(huì)出現(xiàn)比較低的情況。希望本文對(duì)雙相不銹鋼攪拌工藝中摩擦焊接頭的分析能為冶金企業(yè)提供幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]