汽車輪輞用鋼攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

國內(nèi)汽車輪輞主要采用閃光對焊進行焊接加工，閃光對焊在焊接鋼板時，熔合區(qū)容易產(chǎn)生魏氏體組織，并且會導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)未熔合等缺陷[1—3]。這些問題會造成輪輞在后續(xù)的擴口、滾型、擴張等工序中產(chǎn)生裂紋，致使輪輞報廢，增加了汽車輪輞用鋼的浪費以及加工制造成本[4—5]。江鈴汽車輪輞采用閃光對焊技術(shù)，發(fā)現(xiàn)一次焊接合格率較低，研究發(fā)現(xiàn)失效輪輞中裂紋一般出現(xiàn)在閃光對焊的焊縫及焊縫周圍[6]。攪拌摩擦焊技術(shù)（Friction stir welding,FSW）是英國焊接研究所（TWI）于 1991年發(fā)明的一項新型固相連接技術(shù)[7]，具有能一次完成較長焊縫、功效高、能耗低、焊接接頭熱影響區(qū)（HAZ）顯微組織變化小、焊接工件不易變形、殘余應(yīng)力比較低、不需要添加焊絲等獨特優(yōu)點[8—9]。閃光對焊焊接工藝與攪拌摩擦焊焊接工藝相比，閃光對焊焊接工藝能源利用率較低[10]，并且對環(huán)境有一定污染，而攪拌摩擦焊焊接工藝無污染、無煙塵、無輻射，且能源利用率較高，能彌補閃光對焊焊接工藝的不足，實現(xiàn)綠色工業(yè)具有潛在價值[11—12]。近年來，F(xiàn)SW在鋁、鎂及其合金等有色輕金屬的焊接加工中有了成熟的應(yīng)用，對于鋼的攪拌摩擦焊有一定的研究基礎(chǔ)[13—16]。文中探索研究江鈴汽車鋼圈輪輞鋼 B380CL攪拌摩擦焊的可能性，為后續(xù)攪拌摩擦焊在鋼圈輪輞的焊接推廣提供理論依據(jù)。

1 試驗條件及方法

試驗材料為江鈴提供的汽車輪輞用鋼，牌號為B380CL（寶鋼汽車車輪用熱軋板），企業(yè)標準為Q-BQB 310—2009汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶，符合汽車行業(yè)標準YBT 4151—2006汽車車輪用熱軋板和鋼帶。試驗材料尺寸為215 mm×70 mm×4.5 mm，其化學(xué)成分見表1。

試驗設(shè)備采用X53K銑床改造的攪拌摩擦焊機，具有易于操作、可控性好、焊接精度高等優(yōu)點。B380CL具有較高的強度和硬度，為了保護攪拌針，焊前在試樣起焊位置開設(shè)預(yù)置通孔。用丙酮清洗機械加工完畢的待焊工件，晾干備用。根據(jù)板厚度為4.5 mm，攪拌針長度設(shè)計為4.0 mm，錐臺螺紋，材料選用鎢錸合金，具有良好的熱強性和熱穩(wěn)定性。攪拌頭形貌及尺寸見圖1，軸肩直徑為 16 mm，軸肩深度為0.8 mm，攪拌頭根部直徑為5 mm，端部直徑為7 mm。

表1 試驗材料化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of test material(mass fraction) %

圖1 攪拌頭形狀及尺寸Fig.1 Shape and the size of tool

采用氬氣氛圍保護裝置，設(shè)定攪拌頭傾斜角度為2°，下壓量為 0.2 mm。根據(jù)王希靖[17]等的研究，選用YG8硬質(zhì)合金作為攪拌頭材料進行Q235低碳鋼的攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)，因此，采用鎢錸合金攪拌頭，參照表2焊接參數(shù)進行預(yù)焊接試驗。

在旋轉(zhuǎn)速度為 900 r/min，焊接速度v1=37 mm/min，v2=47.5 mm/min，v3=60 mm/min的條件下獲得不同的焊接接頭，沿橫截面截取試樣，試樣進行拉伸試驗、微觀金相組織分析、硬度測試。采用金相顯微鏡觀察、分析和研究金屬材料的金相顯微組織，步驟為鑲樣、打磨拋光、腐蝕、觀察，按照HNO3∶CH3CH2OH＝4∶96的體積比制備腐蝕液，擦拭4 s。采用401MVD數(shù)量顯微硬度計測試焊縫顯微硬度的分布。顯微硬度計參數(shù)：加載載荷為300 N，加壓時間為 10 s，測量間距為 0.5 mm。在WDW-500型微機控制電子萬能試驗機上測試焊接接頭的強度。

表2 焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters

2 結(jié)果分析

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min時，焊接速度分別為v1=37 mm/min，v2=47.5 mm/min，v3=60 mm/min的焊縫見圖2，宏觀焊縫見圖2a，可以得知不同焊接速度均能獲得焊接接頭，當焊接速度為v2=47.5 mm/min時，獲得的焊縫宏觀成形較好，月牙形更細膩均勻。

攪拌摩擦產(chǎn)生大量熱，軸肩下金屬塑化，隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)攪拌作用，兩邊金屬在塑性狀態(tài)下產(chǎn)生結(jié)合。焊接速度為37.5 mm/min時較低，產(chǎn)生的熱量較大，根據(jù)圖2a中v1所示形貌推測，金屬與攪拌針之間產(chǎn)生粘著摩擦，焊縫成形比較生硬、粗糙。如圖2a中v2所示，焊接速度v2=47.5 mm/min，產(chǎn)生的熱量降低，塑性金屬與攪拌針之間由粘著摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，焊縫成形良好，且月牙紋清晰細膩均勻。焊接速度增加到v3=60 mm/min，如圖2a中v3所示，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度不變，焊接速度增大，實質(zhì)上是減小能量輸入，雖然這段焊縫前部分成形較好，但由于后續(xù)熱量輸入不足以讓金屬塑化，攪拌針前進受到巨大阻力，致使攪拌針不足以承受強大阻力而斷裂，并且此段焊縫成形明顯較差。

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min，焊接速度分別為v1=37.5 mm/min，v2=47.5 mm/min，v3=60 mm/min 時獲得FSW接頭，采用X-Ray無損探傷，探傷結(jié)果見圖2b。焊接速度為v1=37.5 mm/min，v2=47.5 mm/min時，焊縫明顯無缺陷。X-Ray無損探傷結(jié)果顯示，攪拌針行走路徑邊緣與前進邊和返回邊邊緣有微亮的痕跡。對比v1=37 mm/min，v2=47.5 mm/min焊接速度下的焊縫X-Ray結(jié)果，發(fā)現(xiàn)v2=47.5 mm/min的焊縫比v1=37.5 mm/min的焊縫亮，v1=37.5 mm/min的焊接接頭明顯比v2=47.5 mm/min的焊接接頭暗，v2=47.5 mm/min的攪拌針行走的路徑亮且均勻。

圖2 接頭宏觀形貌及X-Ray探傷結(jié)果Fig.2 Macro-structure and result of X-Ray inspection of joint

江鈴汽車V362鋼圈輪輞用鋼B380CL鋼板焊前微觀組織見圖3a，為試樣沿平行于軋制方向的微觀組織。B380CL鋼為亞共析鋼，金相組織主要由鐵素體和細小的粒狀珠光體組成，鐵素體呈等軸晶分布，顆粒狀珠光體彌散分布在粗大的鐵素體晶粒中。

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min，焊接速度v1=37.5 mm/min時獲得的接頭微觀組織見圖3b—d，其中，圖3b為接頭熱力影響區(qū)微觀組織，與圖3a相比，微觀組織呈等軸晶狀態(tài)，而母材區(qū)晶粒較粗、較長。從圖3b可以看出，晶粒較細小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是攪拌摩擦焊的熱量對靠近母材側(cè)極窄的區(qū)域內(nèi)晶粒造成影響，該影響類似熱處理中的正火對晶粒的影響。

攪拌摩擦焊的熱影響區(qū)較明顯，如圖3c所示，隨著溫度梯度的變化，在溫度較高的位置，晶粒明顯粗化長大；而溫度較低的位置，晶粒來不及長大粗化，而保持原來形態(tài)。粗大組織由塊狀鐵素體和片狀鐵素體交織分布，并且中間夾雜著片狀珠光體。焊核區(qū)集中FSW極大部分熱量，并且旋轉(zhuǎn)的攪拌針對組織有一定的攪拌作用，晶粒的形狀不規(guī)則，且較粗大。

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min，焊接速度v2=47.5 mm/min時獲得的接頭微觀組織見圖4。其中，圖4a為母材組織，圖4b為熱力影響區(qū)微觀組織，沿垂直母材軋制方向，圖4c為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)組織較熱力影響區(qū)組織粗大，以塊狀鐵素體與少量珠光體組織構(gòu)成，對比v1速度下的焊接熱影響區(qū)可明顯發(fā)現(xiàn)，v2速度下的焊接熱影響區(qū)組織較細小、較均勻。比較焊核區(qū)組織，v1與v2下的組織相差不大，晶粒的形狀不規(guī)則，較粗大。圖4a中母材區(qū)晶粒呈細小等軸晶，黑色珠光體顆粒彌散分布其中，而隨著溫度梯度的增加，組織逐漸變粗大，如圖4c中熱影響區(qū)所示，越靠近焊核區(qū)，晶粒粗化越嚴重。

2.2 工藝參數(shù)對接頭抗拉強度的影響

JMCV362鋼圈輪輞用鋼為B380CL（熱軋板），采用WDW-50微機控制電子萬能試驗機對 3個原材料試樣進行拉伸試驗。鋼B380CL具有較好的塑性，拉伸伸長明顯，具有顯著的屈服現(xiàn)象，母材試樣1#,2#,3#的加載載荷峰值分別為11.31,11.39,11.45 kN，經(jīng)計算，試樣 1#,2#,3#的抗拉強度為 377,379,381.7 MPa，平均抗拉強度為379 MPa。與廠商提供的抗拉強度380 MPa級參數(shù)相比，差別很小。

圖3 v1微觀組織Fig.3 Micro-structure ofv1

圖4 v2微觀組織Fig.4 Micro-structure ofv2

與母材試樣抗拉強度進行對比的是經(jīng)攪拌摩擦焊焊接接頭試樣。在焊接參數(shù)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min，焊接速度v1=37.5 mm/min，v2=47.5 mm/min條件下，對獲得的FSW焊接接頭進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸按照原材料拉伸試樣尺寸，為避免出現(xiàn)偶然誤差，每組焊接參數(shù)焊接的接頭加工3個試樣，分別將焊接速度v1=37.5 mm/min的焊接接頭拉伸試樣記為 A組，編號為 A1,A2,A3；焊接速度v2=47.5 mm/min的焊接接頭拉伸試樣記為B組，編號為B1,B2,B3，然后進行拉伸。

采用引伸計對拉伸試樣進行精準記錄。試樣拉伸斷裂后的試樣宏觀對比見圖5，其中A組試樣斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū)，B組試樣斷裂均發(fā)生在母材，并且 B組試樣的伸長率均大于A組試樣。從圖5的試樣拉伸載荷-位移曲線可以看出，A,B兩組試樣均有顯著的屈服現(xiàn)象，且兩組試樣的屈服現(xiàn)象均產(chǎn)生于加載8.5 kN左右，A組試樣加載峰值達到 10.2 kN，抗拉強度為340 MPa，達到母材的89.5%，B組試樣加載峰值達到11.42 kN，抗拉強度高于母材抗拉強度；而A組試樣的形變?yōu)?.97,3.72,3.82 mm，平均伸長率為7.7%；B組試樣的形變?yōu)?.04,7.85,7.02 mm，平均伸長率為15.3%。B組試樣平均伸長率接近A組試樣的2倍。

圖5 接頭載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of joint

在攪拌頭轉(zhuǎn)速不變的情況下，焊接速度的變化實質(zhì)上是能量的改變。A,B兩組試樣的抗拉強度和伸長率的差異是由于焊接速度的改變導(dǎo)致焊接的能量改變，進而產(chǎn)生接頭性能的差異。A組焊接速度v1=37.5 mm/min，低于B組焊接速度v2=47.5 mm/min，A組的熱量輸入大于B組的熱量輸入，焊縫金屬溫度A組顯然高于B組，在冷卻過程中，A組更加容易形成粗大組織導(dǎo)致組織變脆，致使焊縫抗拉強度和伸長率降低。

2.3 工藝參數(shù)對接頭硬度的影響

在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min，焊接速度v1=37.5 mm/min的條件下進行焊縫組織硬度試驗，結(jié)果表明焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的硬度分別在HV145,HV129,HV130左右，硬度分布見圖6。熱力影響區(qū)組織的硬度較母材高，與其晶粒細小、均勻有關(guān)。而焊接速度v2=47.5 mm/min時，焊縫組織硬度試驗表明，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的硬度分別在HV155,HV145,HV130左右。明顯看出，v1焊接接頭各區(qū)域組織的硬度都比v2焊接接頭低。兩個不同焊接速度下的接頭組織硬度有一定差異，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因跟熱輸入有關(guān)。當焊接速度v2=47.5 mm/min時，熱影響區(qū)組織粗化沒有v1的熱影響區(qū)粗化明顯，故組織硬度較高。

圖6 硬度分布Fig.6 Hardness distribution

3 結(jié)論

1）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min，焊接速度v1=37.5 mm/min，v2=47.5 mm/min，v2=60 mm/min時，均能形成焊接接頭，其中焊接速度v2=47.5 mm/min為較佳焊接參數(shù)。

2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min，焊接速度為v2=47.5 mm/min時，能獲得宏觀成形良好的焊縫，微觀組織為鐵素體和珠光體，經(jīng)X-Ray探傷檢測無缺陷。

3）焊接接頭力學(xué)性能與熱量輸入有關(guān)。焊接速度v2=47.5 mm/min獲得接頭的抗拉強度超過母材，伸長率較高，達到母材的15.3%，但接頭微觀組織硬度較高。