冶金企业的双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头的组织与性能分析

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　　【摘 要】现阶段，国内冶金企业多采用双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头对铝合金进行焊接。文章通过不同的观测手段，探究双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头的组织与性能。研究发现：在合理的工艺参数下，接头强度可以达到母材强度的82%;焊核区结晶会在一定条件下生成细小晶粒。可以通过对断口的分析证实，搅拌摩擦焊接头断口呈现出明显的韧窝形态，并采用相关的数据进行实验证明。实验结果表明，焊接接头各区的硬度值相比普通材料要更高。
　　【关键词】冶金企业;搅拌工艺;摩擦焊接头;组织;性能
　　【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）03-0125-02
　　0 引言
　　 搅拌摩擦焊技术最早起源于英国，是在传统熔化焊技术的基础上发明的一种新型的搅拌摩擦焊技术。相比于传统焊接技术，新型搅拌摩擦焊技术耗能更低，并且不需要其他热源和气体的保护。
　　 搅拌摩擦焊技术受到工程界的普遍关注，世界各国均投入了大量的人力、财力对其进行研究与开发，在造船、轨道车辆、航天航空等领域得到广泛的应用。随着世界工业进程的发展，焊接设备的不断更新，搅拌摩擦焊技术也在不断进步，这将对链接技术的发展起到巨大的推动作用。
　　 近年来，许多国家对搅拌摩擦焊接头中材料中的各项性能等进行详细的分析，并且通过实验进行了深入的研究，这些研究成果为“T”形接头的可行性研究提供了有效的依据。
　　 搅拌摩擦焊是一种在低熔点合金板材的一种新固态形式的连接技术[1]。搅拌摩擦焊可以通过不同的焊接形式和焊接技术表现出它的优势。在现实焊接的过程中，该技术依然会出现很多问题[2]。本文通过大量的实验探究，对搅拌摩擦焊的工艺技术进行实验探究，并对其组织和性能进行了分析。
　　1 双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头组织分析
　　1.1 焊核区微观组织
　　 摩擦焊接头的中心位置就是焊核区，正常焊接时，焊核区温度一般可达到材料熔点的50%～89%，因此受到搅拌焊接技术等综合作用的影响，这一区域材料会发生动态再结晶的现象，形成等轴晶粒，材料韧性、塑性、强度一般都能通过细化晶粒提高，搅拌摩擦焊接头性能相较于传统熔化焊接头性能更强。经拉伸实验发现，在微观组织下摩擦焊接头组织受旋转速度、横向速度、压力等影响。图1为搅拌摩擦焊原理图。
　　1.2 热机影响区微观组织
　　 热机影响区在搅拌头及摩擦热能的共同作用下，一定水平方向下和被拉伸带状分布状况下呈现的晶粒比焊核区大，且呈长条状态。在与前侧和后侧的焊缝接近区域中的材料流动方向是不一致的，并且沿着焊接压痕的流动模式是前侧，其在焊接压痕和热影响区域中明显不同，其中一个块状颗粒分布是后退侧，焊接区和热机的冲击区没有显著差异。前侧的温度高于后退侧的温度，因此前进侧的晶粒大于后退側的晶粒[7-8]。
　　1.3 热影响区微观组织
　　 焊接热循环会对热影响区产生唯一的影响，因为没有经过机械的锻造，所以晶粒不会发生相应的塑性变形。晶粒在整体上与母材相似，但是晶粒与母材有所不同，会产生一定的粗化现象。随着受热情况的不同，相应的晶粒也会发生不同程度的粗化，但是前进侧和后退侧组织并不会产生明显不同。受热循环会对热影响区材料产生巨大的影响，从而导致其产生极其不均匀的组织变化，这是该区域焊接接头最薄弱的一个阶段。图2为搅拌摩擦焊设备实物图。
　　2 双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头性能分析
　　2.1 力学性能分析
　　 通过对力学性能的实验发现，相较于传统熔化焊技术，新型搅拌摩擦焊技术热输入比较低、对热影响组织粗化作用更小、摩擦焊缝是细小的等轴晶体、不存在熔合区。受复杂焊接位置限制，摩擦焊在低合金钢焊接工艺中无强烈优势，只在比较软的金属及特殊材料的焊接过程中起到重要作用[3-4]。
　　2.2 夏比冲击试验分析
　　 采用尺寸为55 mm×1 mm×7.5 mm的“V”形缺口冲击试样进行冲击试验，表1为搅拌摩擦焊接头焊核区、热影响区和母材的室温冲击性能[5-6]。通过实验发现，冲击功最大的是在焊核区（与母材相比，是母材的6～9倍），冲击功第二大的是在热影响区（与母材相比，是母材的4～5倍），冲击功最小则是母材。焊接工艺二接头与工艺一相比，焊核区冲击性能更好。从试验的比较结果来看，工艺一材料相对于工艺二材料来说，其冲击性能更差，但搅拌摩擦焊接头的各个部分相对于母材来说，大大地提高了材料在冲击性能的优势。
　　2.3 显微硬度分析
　　 沿着焊接试板截面截取一段35 mm的试样，并且在试样截面上表面、中心线及靠近下表面分别选取出3条线。在试样长度的方向上尽量每隔3 mm选择一点作为硬度测量点，每条线约38个点，这样就能准确地覆盖接头前进侧热影响区、前进侧热机影响区、焊核区、后退侧热机影响区、后退侧热影响区。实验表明，焊接接头各区的硬度值相比普通材料来说要更高，这也说明摩擦焊接的工艺要优于普通的焊接技术，工艺性是普通焊接远远比不上的[9-10]。
　　3 结语
　　 综上所述，在冶金企业当中采用双相不锈钢搅拌工艺摩擦焊接头技术连接材料，通过专业的EBSD可分析出相应结果，明显动态再结晶特征就是摩擦旋合界面所具有的独特优势，可以形成数量巨大且细小的等轴晶;剧烈摩擦及剪切则会严重影响热机影响区的运行，塑性变形会在α相和γ相的作用下发生，从而导致晶粒在不同程度上被拉长。动态再结晶则是由于摩擦界面及旋合区共同作用发生的结果，相应的残余应力则会出现比较低的情况。希望本文对双相不锈钢搅拌工艺中摩擦焊接头的分析能为冶金企业提供帮助。
　　参 考 文 献
　　[1]李建春，李国平，梁伟，等.2707超级双相不锈钢搅拌摩擦焊接头焊缝区的微观组织演变[J].热加工工艺，2018（3）：33-35.
　　[2]王月香，刘振宇，王国栋，等.双相不锈钢2205热变形行为的实验[J].塑性工程学报，2012，19（4）：89-94.
　　[3]张杰，张田仓，陆业航，等.TC4钛合金线性摩擦焊接头组织及残余应力分布特征[J].航空制造技术，2015（17）：127-130.
　　[4]陈大军，徐晓菱，徐元泽，等.K418涡轮盘与42CrMo 轴异种材料惯性摩擦焊研究[J].焊接，2008（6）：58-60.
　　[5]李艺君，付瑞东.钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展[J].机械工程学报，2015，51（22）：1-10.
　　[6]张洪哲，田辉鹏.焊接应力和变形的控制方法[J]. 企业科技与发展，2009（1）：47-48.
　　[7]郭国林，王志国，杨君翼，等.异种不锈钢搅拌摩擦焊对接接头组织和力学性能[J].热加工工艺，2017（21）：61-63.
　　[8]杨峰，石端虎，周新生.2205双相不锈钢摩擦焊接头显微组织及微区蠕变性能[J].焊接，2017（5）：34-37.
　　[9]郝云飞，毕煌圣，孙宇明，等.同质异种热处理状态铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能[J].宇航材料工艺，2016，46（3）：27-32.
　　[10]苏雪梅.双相不锈钢异种金属的焊接工艺及接头组织性能研究[J].低碳世界，2017（8）：58-59.
　　[责任编辑：陈泽琦]
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