K418/42CrMo異金屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接接頭組織與性能研究

馬東良 馬東輝 劉佳佳 高 遠(yuǎn)

(1.中建安裝工程有限公司，山東250014；2.中國(guó)建筑五局山東公司，山東250101； 3.山東建澤混凝土有限公司，山東250101；4.恒大集團(tuán)山東公司，山東250100)

渦輪增壓器生產(chǎn)成本較低，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高20%～35%[1]，在汽車行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，部分汽車已使用雙渦輪增壓技術(shù)。渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸一般由K418渦輪與42CrMo軸異金屬焊接而成，K418是γ′(Ni3(Al，Ti))沉淀硬化鎳基高溫合金[2]，42CrMo碳當(dāng)量達(dá)到0.83%，兩者焊接性均較差。目前K418和42CrMo異金屬焊接有摩擦焊、激光焊、電子束焊等，焊接接頭抗拉強(qiáng)度通常只能達(dá)到600～700 MPa左右。本文對(duì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)焊接接頭進(jìn)行分析，以期獲得更優(yōu)焊接工藝。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)材料采用鑄造K418高溫合金渦輪和調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo軸，使用光譜儀測(cè)定化學(xué)成分，結(jié)果分別見表1和表2。摩擦焊采用C-20A-2型摩擦焊機(jī)，焊前將K418和42CrMo待焊面磨平，并用丙酮進(jìn)行徹底清洗，焊接面對(duì)接不留間隙，以保證同心度；對(duì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊強(qiáng)規(guī)范工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，焊后去應(yīng)力退火；對(duì)焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)和分析。

表1 K418化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of K418 (mass fraction, %)

表2 42CrMo化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of 42CrMo (mass fraction, %)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭形貌

宏觀下觀察焊接接頭，可以看出焊接接頭沿焊面向外有一圈均勻的飛邊，K418與42CrMo對(duì)中良好。因?yàn)楹附舆^(guò)程中頂鍛壓力較大，焊縫處溫度較高，而K418高溫合金耐熱性遠(yuǎn)高于42CrMo，因此42CrMo軟化并最終形成變形飛邊。

(a)低倍樹枝晶形貌(b)樹枝晶主體(c)撕裂痕跡(d)枝晶間隙

圖1 拉伸斷口掃描電鏡照片
Figure 1 SEM pictures of tensile fracture

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用優(yōu)化后的強(qiáng)規(guī)范工藝?yán)鞌嗔褏^(qū)在K418側(cè)，抗拉強(qiáng)度高于750 MPa；而其他焊接方式斷裂區(qū)大多在焊接面上，且抗拉強(qiáng)度一般在600～700 MPa左右。

2.3 拉伸斷口形貌

圖1為K418拉伸斷口掃描電鏡照片，圖1(a)和1(b)可以看到粗大樹枝晶；圖1(c)可以看到斷裂面上有撕裂痕跡，為典型的沿晶脆性斷裂；圖1(d)可以看出樹枝晶邊緣存在空隙，此處有可能是裂紋等缺陷的萌生地。

2.4 金相組織

2.4.1 焊接接頭金相組織

圖2是焊接接頭處的顯微組織照片，其中左側(cè)白亮區(qū)域?yàn)镵418，右側(cè)深色區(qū)域?yàn)?2CrMo。由圖可以看出，焊接面為不規(guī)則的鋸齒形，兩種金屬互相嵌入，冶金結(jié)合面積大。

在K418側(cè)近焊縫區(qū)域碳化物較K418基體略粗大，且相對(duì)較多，甚至存在共晶碳化物。這是因?yàn)镵418和42CrMo在成分、組織、高溫性能上差異很大，42CrMo含碳量明顯高于K418，而K418中含碳量很低，確含有Mo、Cr、Nb、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素。焊接過(guò)程中瞬時(shí)產(chǎn)生了大量熱量，提供給碳元素足夠的擴(kuò)散能，加之頂鍛壓力的作用，促使碳在摩擦焊過(guò)程中由42CrMo側(cè)向K418側(cè)擴(kuò)散[3]。由于焊接熱輸入有限，碳元素?cái)U(kuò)散距離與數(shù)量受到限制，最終形成碳化物并析出。

2.4.2 K418側(cè)金相組織

K418屬沉淀強(qiáng)化型高溫合金[4]，含有Cr、Mo、Al、Ti等多種元素，合金偏析非常嚴(yán)重[5]，組織極不均勻。圖3為K418側(cè)顯微金相組織照片，圖3(a)為粗大的樹枝晶；圖3(b)為葵花狀(γ+γ′)共晶組織；圖3(c)為魚骨狀共晶碳化物；圖3(d)為彌散分布在γ基體上的γ′相。

(a)樹枝晶組織(b)(γ+γ')共晶組織(c)魚骨狀碳化物(d)γ'相

圖3 K418側(cè)顯微組織Figure 3 Microstructure of K418 location

圖4 42CrMo側(cè)組織
Figure 4 Microstructure of 42CrMo location

2.4.3 42CrMo側(cè)金相組織

近焊縫42CrMo焊接后根據(jù)組織特征的不同，可劃分為熔合區(qū)、部分相變區(qū)和母材區(qū)。

(1)熔合區(qū)

熔合區(qū)溫度較高，42CrMo發(fā)生奧氏體化，晶粒迅速長(zhǎng)大。經(jīng)頂鍛后粗大組織被擠碎，經(jīng)焊后熱處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，如圖4(a)所示。

(2)部分相變區(qū)

該區(qū)域在焊接時(shí)溫度在Ac1與Ac3之間，部分回火索氏體發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)由于此處并未受到頂鍛作用的直接影響，冷卻后組織較粗大。碳的遷移導(dǎo)致該區(qū)域脫碳產(chǎn)生鐵素體，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w+少量鐵素體，如圖4(b)所示。宏觀下可以看到該區(qū)域處有一條淺色帶。

(3)母材區(qū)

42CrMo熔合區(qū)外約2.5～3.5 mm區(qū)域是母材區(qū)，該區(qū)域組織沒(méi)有轉(zhuǎn)變。如圖4(c)所示。

2.5 顯微硬度

圖5 焊接接頭顯微硬度分布Figure 5 Microhardness distribution along welding joint

圖5為焊接接頭附近顯微硬度分布圖，可以

看出：在焊接面K418側(cè)1 mm范圍內(nèi)硬度高于母材，最高達(dá)到429HV，1.5 mm附近恢復(fù)至母材硬度，約為365～395HV；42CrMo側(cè)距焊接面約1.5～3 mm處有一個(gè)明顯的軟化區(qū)，最低達(dá)到295HV，從3 mm處開始恢復(fù)至42CrMo硬度，約為350HV左右。

這是因?yàn)楹附舆^(guò)程中碳由42CrMo側(cè)向K418側(cè)遷移[3]。由于焊接熱輸入有限，碳元素?cái)U(kuò)散數(shù)量與距離受到限制，最終在冷卻時(shí)形成碳化物，形成硬化區(qū)；由于42CrMo側(cè)產(chǎn)生了少量鐵素體，形成軟化區(qū)。

3 結(jié)論

(1)采用優(yōu)化后的強(qiáng)規(guī)范參數(shù)進(jìn)行K418/42CrMo連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊，效果較優(yōu)。

(2)拉伸試樣斷裂于K418母材上，為典型的沿晶脆性斷裂，不同取向的樹枝晶之間為裂紋的發(fā)源地。

(3)焊接接頭K418側(cè)主要組織為γ+γ′+MC，焊接過(guò)程中組織基本無(wú)變化；42CrMo側(cè)組織主要為回火索氏體；焊縫區(qū)域發(fā)生碳元素從42CrMo側(cè)向K418側(cè)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致42CrMo側(cè)出現(xiàn)鐵素體組織，K418側(cè)出現(xiàn)粗大碳化物。

(4)焊接面靠近K418側(cè)1 mm范圍內(nèi)均有一個(gè)硬化區(qū)，靠近42CrMo側(cè)約1.5～3 mm有一個(gè)軟化區(qū)，這與金相組織檢測(cè)結(jié)果一致。