慣性摩擦焊接頭塑性流動(dòng)行為及顯微組織分析

頓亞鵬 楊偉 劉建永 盛曉菲

摘? 要：通過(guò)慣性摩擦焊機(jī)對(duì)30CrMnSi/37CrMnMo進(jìn)行摩擦焊接，通過(guò)金相顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)焊接接頭進(jìn)行組織觀察，利用能譜儀（EDS）檢測(cè)了焊接界面的元素?cái)U(kuò)散，通過(guò)硬度計(jì)測(cè)定了焊接界面兩側(cè)的硬度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接界面緊密結(jié)合呈現(xiàn)凹凸?fàn)睢耙Ш稀?，完全塑性變形區(qū)發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，Si和Mo發(fā)生短程擴(kuò)散，其余元素在界面處均勻化;焊接接頭感應(yīng)熱處理后塑變區(qū)組織轉(zhuǎn)變成回火索氏體和少量貝氏體。部分塑性變形區(qū)內(nèi)的組織為回火索氏體夾雜小塊狀的鐵素體，30CrMnSi管體側(cè)Zud末端的硬度最低，隨著與焊縫距離的減小硬度值有上升的趨勢(shì)，在焊縫處可達(dá)29.4HRC。

關(guān)鍵詞：慣性摩擦焊;擴(kuò)散;回火索氏體;硬度

中圖分類號(hào)：TG453.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）26-0033-04

Abstract： The friction welding of 30CrMnSi/37CrMnMo was carried out by inertial friction welding machine， the microstructure of welded joint was observed by optical microscope （OM） and scanning electron microscope （SEM）， and the element diffusion of welding interface was detected by energy dispersive spectrometer （EDS）. The hardness changes on both sides of the welding interface were measured by hardness tester. The experimental results show that the tight bonding of the welding interface shows a concave and convex "occlusal"， the element diffusion occurs in the complete plastic deformation zone to realize a good metallurgical bonding， the short range diffusion occurs in Si and Mo， and the other elements are homogenized at the interface. After induction heat treatment of welded joints， the microstructure of plastic zone is transformed into tempered sorbite and a small amount of bainite. The microstructure in part of the plastic deformation zone is tempered sorbite inclusion small block ferrite， and the hardness of the Zud end of the 30CrMnSi tube is the lowest， which tends to increase with the decrease of the distance from the weld， and can reach 29.4HRC at the weld seam.

Keywords： inertial friction welding; diffusion; tempered sorbite; hardness

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為37CrMnMo鋼和30CrMnSi，其成分如表1所示，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理工藝的端部加厚管體其鋼級(jí)為G105，工具接頭為NC50 成品接頭。

應(yīng)用320BX慣性摩擦焊機(jī)對(duì)管體和工具接頭進(jìn)行摩擦焊接，焊接工藝參數(shù)有：頂鍛壓力1950psi，旋轉(zhuǎn)速度有745rpm。摩擦焊接后的飛邊采取退火后進(jìn)行切削加工，焊縫處通過(guò)XG-40型中頻加熱裝置進(jìn)行局部感應(yīng)熱處理。

通過(guò)OM、SEM和EDS對(duì)慣性摩擦焊接頭進(jìn)行顯微組織形貌觀察、金屬流線觀察、焊接接頭界面合金元素分布及擴(kuò)散測(cè)定，通過(guò)硬度計(jì)測(cè)定焊接接頭附近硬度值，揭示焊接接頭的形成過(guò)程和接頭性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的金屬塑性流動(dòng)特性

在摩擦焊接初始階段，工具接頭和管體環(huán)形區(qū)域摩擦產(chǎn)生大量熱，同時(shí)摩擦扭矩急劇增大，界面處金屬發(fā)生破碎、剪切行為。當(dāng)摩擦扭矩達(dá)到前峰值，工具接頭和管體環(huán)形區(qū)域由于摩擦熱形成塑性金屬，在摩擦扭矩維持在穩(wěn)定的平衡扭矩時(shí)，塑性金屬?gòu)较驍U(kuò)展，摩擦扭矩增到后峰值扭矩時(shí)和軸向壓力共同對(duì)接頭進(jìn)行強(qiáng)烈頂鍛，塑性金屬向接頭界面處移動(dòng)。

在摩擦焊接過(guò)程中鉆桿和工具接頭界面摩擦快速升溫致界面金屬呈塑性，在軸向力下塑性金屬被徑向擠出，接觸界面存在塑性變形和機(jī)械挖掘。摩擦熱、摩擦扭矩及頂鍛壓力促使屬塑性流動(dòng)，形成不同金屬流線。由接頭界面向母材方向可分為4個(gè)區(qū)域：完全塑變區(qū)Zpl（Fully plasticized zone）、部分塑變區(qū)Zpd（Partially deformed zone）、未變形區(qū)Zud（Undeformed zone）和母材區(qū)BM（Base metal）[1-3]。在完全塑性變形區(qū)金屬受到摩擦熱產(chǎn)生元素?cái)U(kuò)散，在摩擦扭矩作用下界面金屬發(fā)生劇烈剪切撕裂和機(jī)械挖掘;在部分塑變區(qū)金屬接受完全塑變區(qū)傳遞的摩擦熱，同時(shí)承受軸向壓力產(chǎn)生變形，金屬原子運(yùn)動(dòng)不及完全塑變區(qū)劇烈;未變形區(qū)和母材區(qū)距離摩擦界面距離較遠(yuǎn)，接受的熱量不足以使晶粒組織變化。慣性摩擦焊接形成的完全塑變區(qū)、部分塑變區(qū)顯微組織和金屬流線如圖1。

塑性金屬由于受到摩擦扭矩產(chǎn)生環(huán)形運(yùn)動(dòng)，在軸向力和頂鍛力作用下產(chǎn)生軸向縮短，促使金屬向焊接接頭界面處運(yùn)動(dòng)。在金相照片中顯示出不同金屬流線，完全塑性變形區(qū)的界面處為橫向流線，在部分塑性變形區(qū)為縱向流線，橫縱連接處存在彎曲流線。通過(guò)塑性變形區(qū)的組織分析發(fā)現(xiàn)在界面處組織有參差咬合的情況[4-7]。焊縫的寬度是參差咬合實(shí)際寬度，在垂直于界面方向上有40μm的距離。

2.2 焊接界面的元素?cái)U(kuò)散分析

慣性摩擦焊接過(guò)程中轉(zhuǎn)速為745/rpm時(shí)，接頭界面處金屬塑性流動(dòng)充分，后階段頂鍛使接頭結(jié)合良好，由于接頭界面塑性金屬劇烈運(yùn)動(dòng)以及頂鍛作用使30CrMnSi/37CrMnMo界面產(chǎn)生凹凸?fàn)睢耙Ш稀?，無(wú)氧化夾雜，接頭微觀結(jié)合良好。通過(guò)在30CrMn

Si/37CrMnMo界面進(jìn)行線掃描，分析接頭界面處附近100μm、C、Si、Mo、Cr元素的擴(kuò)散行為，如圖2所示。

在焊縫界面附近100μm的范圍內(nèi)，金屬成分相互擴(kuò)散，這種互相滲透咬合既有界面高速塑性剪切發(fā)生了機(jī)械混合，又有高溫階段原子的相互擴(kuò)散存在。

由于30CrMnSi和37CrMnMo元素含量存在濃度差，在界面受到高速塑性剪切和高溫下元素?cái)U(kuò)散，使接頭形成良好的冶金結(jié)合。從圖3中可以看出，由于管體基體為30CrMnSi，其中Si元素含量要遠(yuǎn)高于37CrMnMo，30CrMnSi基體中的Si受高溫和濃度梯度驅(qū)動(dòng)下向37CrMnMo基體進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散，擴(kuò)散了約“30μm”。37CrMnMo中的Mo元素同樣原因向30CrMnSi中遷移Mo元素，由于37CrMnMo中Mo含量不是很高，元素遷移距離較短，擴(kuò)散約為“20μm”。由于兩個(gè)鋼種碳、錳、鉻含量濃度相差較小，在接頭界面兩側(cè)約40μm范圍內(nèi)發(fā)生了元素的均勻化，提高接頭的連接強(qiáng)度。

2.3 焊縫及熱影響區(qū)的組織及性能

30CrMnSi和37CrMnMo界面處有明顯的變形區(qū)域，晶粒細(xì)小。在慣性摩擦焊接中摩擦和頂鍛階段使接頭處金屬發(fā)生劇烈剪切，晶粒發(fā)生滑移與變形引發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒細(xì)小。焊后感應(yīng)熱處理后通過(guò)顯微組織觀察，在完全塑性變形區(qū)中組織為回火索氏體和微少貝氏體，在部分塑變區(qū)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w夾雜小塊狀的鐵素體。在30CrMnSi部分變形區(qū)，顯微組織中除了回火索氏體，發(fā)現(xiàn)塊狀鐵素體較37CrMnMo側(cè)鐵素體組織大并且數(shù)目多。

接頭硬度測(cè)試部位取樣如圖5所示，分別取自距離 37CrMnMo/30CrMnSi焊接接頭內(nèi)、外表面3mm和管厚中部。

焊縫左側(cè)是30CrMnSi管體，右側(cè)是37CrMnMo鉆桿接頭。不同位置取樣的硬度增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖6，宏觀來(lái)看工具接頭37CrMnMo側(cè)的硬度值要略高于管體30CrMnSi側(cè)，通過(guò)對(duì)照 37CrMnMo/30CrMnSi摩擦焊接后形成的完全塑變區(qū)、部分塑變區(qū)以及未變形區(qū)微觀形貌，發(fā)現(xiàn)硬度值從管體側(cè)向界面方向不斷提高，在管體部分塑性變形區(qū)因存在數(shù)量較多的塊狀鐵素體致使硬度下降。37CrMnMo側(cè)由于焊后感應(yīng)熱處理組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，硬度較高且平穩(wěn)，焊縫處硬度值可達(dá)29.4HRC。

3 結(jié)論

（1）37CrMnMo/30CrMnSi摩擦焊接形成的接頭在摩擦扭矩和頂鍛力的雙重施加下，界面金屬發(fā)生劇烈塑性流動(dòng)，在圓環(huán)界面做圓周運(yùn)動(dòng)，在頂鍛階段受到強(qiáng)烈頂鍛使金屬在軸向方向進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)。在塑性變形區(qū)存在橫向金屬流線、縱向金屬流線及彎曲狀金屬流線。界面處呈現(xiàn)凹凸?fàn)钜Ш辖M織形貌。

（2）30CrMnSi基體中的Si受高溫和濃度梯度驅(qū)動(dòng)下向37CrMnMo基體進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散，擴(kuò)散了約“30μm”。37CrMnMo中的Mo元素含量不是很高，元素遷移距離較短，擴(kuò)散約為“20μm”。由于兩個(gè)鋼種碳、錳、鉻含量濃度相差較小，在接頭界面兩側(cè)約40μm范圍內(nèi)發(fā)生了元素的均勻化。

（3）37CrMnMo側(cè)的硬度值要略高于管體30CrMnSi側(cè)，在管體部分塑性變形區(qū)因存在數(shù)量較多的塊狀鐵素體致使硬度下降。37CrMnMo側(cè)由于焊后感應(yīng)熱處理組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，硬度較高且平穩(wěn)，在焊縫處硬度值可達(dá)29.4HRC。

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