鋁/鋼多層多道耗材摩擦焊接頭組織性能研究

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（廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510651）

0 前言

耗材摩擦焊（Friction Surfacing）原理為：高速旋轉(zhuǎn)的耗材在一定壓力下與基板接觸，兩材料由于摩擦產(chǎn)熱達(dá)到塑性狀態(tài)，當(dāng)耗材與基板發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)耗材連續(xù)過(guò)渡到基板從而實(shí)現(xiàn)焊接[1-2]。耗材摩擦焊因其接頭質(zhì)量高、低耗綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)異種難焊金屬和制造具有特殊表面的材料中；相對(duì)于傳統(tǒng)增材制造技術(shù)，耗材摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)金屬塑性狀態(tài)下的增材制造，將會(huì)是增材制造領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[3]。

文獻(xiàn)[4-6]表明，耗材摩擦焊單次焊接過(guò)程中僅能得到厚度約0.5～1.5 mm的堆焊層，大大限制其在工業(yè)中的應(yīng)用。鋁與鋼的耗材摩擦焊單層焊接得到的厚度約為0.8 mm，實(shí)現(xiàn)鋁鋼多層多道焊接存在的主要問(wèn)題為：在獲得可靠的多層焊接接頭的基礎(chǔ)上需保證第一層堆焊層不被破壞。目前國(guó)內(nèi)外鮮有關(guān)于多層多道耗材摩擦焊研究的文章，相關(guān)理論尚需進(jìn)一步研究。

在此對(duì)鋁/鋼多層多道耗材摩擦焊進(jìn)行研究，以獲得堆焊層厚度大于6 mm、綜合力學(xué)性能高的接頭。選擇2A12鋁合金為耗材，以Q235低碳鋼/2A12鋁合金單層耗材摩擦焊接頭為基板研究耗材摩擦焊，通過(guò)分析焊接成形、接頭微觀組織及力學(xué)性能，揭示耗材摩擦焊的工藝特性，為耗材摩擦焊的應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

采用2A12-T4鋁合金為耗材，直徑φ25 mm，采用鋁/鋼單層耗材摩擦焊接頭為基板，如圖1所示；其中2A12鋁合金為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，組織由α（Al）固溶體、S 相（Al2CuMg）和 θ 相（CuAl2）組成，其中S相與θ相起主要強(qiáng)化作用；Q235組織為F（鐵素體）和P（珠光體）。

圖1 鋁/鋼單層耗材摩擦焊宏觀形貌

焊接前首先銑平耗材端面，以保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，打磨工件并用丙酮擦拭去除表面油污；由于耗材摩擦焊在開(kāi)始階段需要進(jìn)行摩擦預(yù)熱，為了防止第一層堆焊層在預(yù)熱階段被破壞，起始位置選在距其25 mm處，焊接示意如圖2所示，當(dāng)耗材達(dá)到塑性狀態(tài)后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到第一層堆焊層上進(jìn)行焊接。

圖2 焊接示意

預(yù)熱階段焊接主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，焊接速度0 mm/min，焊接壓力為1 MPa；焊接階段主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，焊接壓力為3～5 MPa，焊接速度60～100 mm/min。焊后沿垂直焊接方向截取橫截面，經(jīng)打磨和拋光處理后，用混合酸溶液（2 ml HF+3 ml HCl+5 ml HNO3+190 ml H2O）腐蝕鋁側(cè)，用5%硝酸酒精溶液腐蝕鋼側(cè)，并用光學(xué)顯微鏡分析接頭微觀組織。采用顯微硬度計(jì)沿厚度方向分別測(cè)試焊接層鋁側(cè)、鋼側(cè)及鋁鋼結(jié)合面的顯微硬度。利用線切割將接頭加工成L形剪切試樣，每個(gè)工藝參數(shù)獲得的接頭選取3個(gè)剪切試樣，在力學(xué)性能測(cè)試機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以3個(gè)剪切試樣剪切強(qiáng)度的平均值作為剪切評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；并用SEM分析剪切斷口。

表1 2A12-T4鋁合金及Q235化學(xué)成分及力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫成形

采用如表2所示的工藝參數(shù)進(jìn)行鋁鋼多層多道耗材摩擦焊。

表2 工藝參數(shù)

多層多道焊表面成形如圖3所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min、焊接速度60mm/min、焊接壓力4MPa時(shí)，過(guò)大的熱輸入使得第一層堆焊層金屬達(dá)到完全塑性狀態(tài)，在焊接壓力下塑性態(tài)的金屬隨耗材一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力作用下堆積在原堆焊層的兩側(cè)，無(wú)法得到多層堆焊層，如圖3a所示；當(dāng)焊接速度提高到100 mm/min時(shí)，熱輸入適中，在保證第一層堆焊層完整性時(shí)實(shí)現(xiàn)焊接，得到表面無(wú)缺陷，接頭完整的堆焊層，如圖3b所示；當(dāng)熱輸入進(jìn)一步減小，由于熱輸入不足，耗材無(wú)法達(dá)到完全熱塑性狀態(tài)，在焊接壓力下耗材與第一堆焊層產(chǎn)生剛性接觸而被破壞。

在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，共進(jìn)行了5次鋁與鋼的多層多道焊接。多層多道焊接頭橫截面微觀形貌如圖4所示，接頭成形良好，無(wú)宏觀缺陷；各層界面清晰，第一層堆焊層厚度為0.5 mm，比其進(jìn)行多層堆焊前的厚度0.8 mm減少約0.3 mm，從第二層開(kāi)始，其焊接厚度約為1 mm，相對(duì)于多層堆焊前的厚度1.2 mm也有所減小。

圖3 多層多道焊表面成形

圖4 接頭橫截面微觀形貌

厚度的減少主要有兩方面的原因：①堆焊層表面存在魚(yú)鱗紋，在進(jìn)行第二層及以后層的堆焊時(shí)未對(duì)前一層的魚(yú)鱗紋進(jìn)行打磨光滑，而是在前一層的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，焊接過(guò)程中這些魚(yú)鱗紋隨摩擦熱變成塑性狀態(tài)從而被耗材碾壓平整，厚度減小。②焊接過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱使第一層堆焊層的表面金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在焊接壓力的作用下表面金屬這一部分會(huì)與耗材產(chǎn)生的塑性層結(jié)合形成焊接接頭，一部分會(huì)被擠出焊接接觸面，從而使其厚度減小。

2.2 微觀組織

多層多道焊接頭中第一層及第四層的微觀組織如圖5所示，圖5a中第二相顆粒（S相及θ相）的分布相對(duì)集中，粒子存在聚集現(xiàn)象；圖5b中第二相顆粒分布均勻，其尺寸較圖5a細(xì)小。

焊接過(guò)程中溫度可達(dá)500℃，由于2A12鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，后焊接過(guò)程會(huì)對(duì)先焊接的金屬產(chǎn)生熱處理作用，第一層金屬在焊接熱循環(huán)作用下S相和θ相產(chǎn)生團(tuán)聚長(zhǎng)大，而第四層金屬由于受到熱循環(huán)作用較少，其第二相顆粒分布均勻。

堆焊層橫截面掃描電鏡如圖6所示。堆焊層中存在相互連通的“凹坑”，此“凹坑”是第二相顆粒在腐蝕后脫落留下的，“凹坑”相互連通的現(xiàn)象也說(shuō)明S相（Al2CuMg）和 θ相（CuAl2）產(chǎn)生了析出及聚集長(zhǎng)大。

圖6 堆焊層橫截面掃描電鏡

2.4 力學(xué)性能

2.4.1 硬度分布

多層多道堆焊后接頭硬度分布如圖7所示，其整體趨勢(shì)為后堆焊層的硬度高于先堆焊層。

圖7 顯微硬度分布

耗材摩擦焊是一種固相焊接方法，其得到的組織晶粒遠(yuǎn)小于母材，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系：材料的強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而增加；而焊接時(shí)焊接熱循環(huán)使得S相（Al2CuMg）和θ相（CuAl2）析出并聚集長(zhǎng)大，從而使鋁合金產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，因此接頭的強(qiáng)度取決于兩者之間的共同作用；通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)后堆焊層的硬度高于先堆焊層，其主要原因?yàn)楹附舆^(guò)程中S相（Al2CuMg）和θ相（CuAl2）析出并聚集長(zhǎng)大使鋁合金軟化作用強(qiáng)于晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用，并且先堆焊層所受到的熱循環(huán)影響次數(shù)越多，其軟化作用越明顯，因此從表面到界面硬度值呈現(xiàn)出由高到低的趨勢(shì)。

2.4.2 剪切性能

接頭的剪切試樣如圖8所示。接頭斷裂在堆焊層鋁側(cè)，經(jīng)測(cè)試其剪切強(qiáng)度為130.3 MPa，約為2A12鋁合金母材的63%，說(shuō)明焊接后鋁合金強(qiáng)度降低，與上述分析一致。

圖8 接頭剪切試樣

剪切斷口形貌見(jiàn)圖9，斷口中存在大量韌窩，韌窩沿拉伸方向被拉長(zhǎng)，其斷裂形式為韌性斷裂。

圖9 斷口形貌

3 結(jié)論

（1）采用耗材摩擦焊實(shí)現(xiàn)了2A12鋁合金對(duì)Q235低碳鋼的多層多道耗材摩擦焊，接頭表面成形良好，各層之間結(jié)合完整，無(wú)內(nèi)部缺陷。

（2）多層多道焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱循環(huán)使堆焊層中組織第二相發(fā)生了聚集長(zhǎng)大，且先堆焊層受到的影響大于后堆焊層，先堆焊層中第二相顆粒大于后堆焊層。

（3）堆焊層硬度趨勢(shì)為隨著焊接層數(shù)的增大而升高，焊接時(shí)第二相顆粒聚集長(zhǎng)大使鋁合金軟化作用強(qiáng)于耗材摩擦焊晶粒細(xì)化作用使其強(qiáng)度升高。

（4）接頭剪切強(qiáng)度為130.3 MPa，為2A12鋁合金的63%，接頭斷裂于鋁合金側(cè)，其斷裂方式為韌性斷裂。

[1]姚君山，孟凡新，王國(guó)慶，等.耗材摩擦焊中的耗材過(guò)渡與成形機(jī)理研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（23）：2052-2056.

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