304不銹鋼與42CrMo鋼慣性摩擦焊工藝

吳 瑋，鄧 發

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.重慶市特種焊接材料與技術高校工程研究中心(重慶理工大學), 重慶 400054)

304不銹鋼與42CrMo鋼慣性摩擦焊工藝

吳 瑋1,2，鄧 發1

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054；2.重慶市特種焊接材料與技術高校工程研究中心(重慶理工大學), 重慶 400054)

研究了304不銹鋼與42CrMo鋼慣性摩擦焊接工藝，采用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析和性能測試等方法對接頭組織性能進行了分析。結果表明：接頭飛邊尺寸與熱輸入有關，42CrMo側飛邊大；近縫區Cr元素出現“峰值”，焊縫界面處C 元素和Fe元素增加；42CrMo側未見明顯脫碳層，其組織從焊縫到母材主要有貝氏體、馬氏體、鐵素體和索氏體，熱輸入影響馬氏體的形態；304不銹鋼側晶粒細化，有碳化物生成，大熱輸入時生成σ相；硬度最高值在42CrMo側焊縫，增大熱輸入，304不銹鋼焊縫硬度增加，42CrMo側降低；拉伸強度最大為687.55 MPa，均斷在304不銹鋼母材上，是以韌窩為主的韌性斷裂。

304不銹鋼；42CrMo合金鋼；慣性摩擦焊；工藝參數；組織性能

慣性摩擦焊是一種高效、環保、優質的固相焊技術，相對于傳統的熔焊方法，被焊界面金屬不熔化，通過壓力和工件之間相對摩擦產生的熱機作用，使被焊材料相互接觸的界面溫度升高，達到熱塑性狀態。然后施加頂鍛壓力擠壓半固態金屬，產生塑性流變，最終焊縫界面通過元素擴散和再結晶獲得可靠的連接。慣性摩擦焊的這種工藝特點使其接頭為鍛造組織，晶粒細小，熱影響區窄，接頭強度高[1-2]，在航空、航天、核能、兵器、汽車等行業得到廣泛應用。

隨著復合材料的大量應用，異種鋼的焊接越來越重要。對于42CrMo與不銹鋼的連接，可充分結合不銹鋼耐蝕性能和低合金鋼強度高、耐磨性好的優勢[3-5]。現有的國內外研究現狀表明[6-9]：關于碳鋼與不銹鋼的連接還沒有相關慣性摩擦焊的研究報道。對此本文采用慣性摩擦焊的方法以實現異種鋼的焊接，研究參數變化對接頭組織性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

采用冷軋的304奧氏體不銹鋼(Φ30 mm×150 mm)和調質的42CrMo合金鋼(Φ30 mm×100 mm)的棒材。2種材質的化學成分見表1、2，力學性能如表3所示。

1.2 焊接工藝

試驗在自行研制的35 t摩擦焊焊機上進行焊接，整個焊接過程試驗原理如圖1所示。

表1 304不銹鋼的主要化學成分 (%，質量分數)

表2 42CrMo合金鋼的主要化學成分 (%，質量分數)

表3 304不銹鋼和42CrMo合金鋼的力學性能

圖1 304不銹鋼/42CrMo鋼摩擦焊焊接過程試驗原理

42CrMo合金鋼安裝在固定端，沿軸向方向驅動。而304不銹鋼安裝在旋轉端，以一定的速度旋轉。向微機控制系統輸入操作程序，設定焊接工藝參數，控制施加轉速和摩擦力使2個焊接端面接觸，完成焊接。如圖2的階段(a)所示，安裝在旋轉件一側的飛輪由驅動電動機帶動加速到一個預設的最高轉速，以儲存特定數量的動能在飛輪中，然后旋轉動力被切斷。當轉速下降到摩擦轉速時，2個被焊部分通過固定件一側施加的軸向壓力相互接觸，結合面之間產生的摩擦使飛輪減速(由圖2的階段(b)向階段(c)過渡)，動能轉化為熱能，焊接界面附近的溫度升高。當轉速達到頂鍛轉速時，高溫塑性金屬受擠壓變形，一部分被擠出，在接頭周圍形成飛邊。飛輪在摩擦扭矩作用下停止(圖2的階段(c))，經過保壓使焊縫凝固[10]。在此整個過程中界面部分熔融金屬被擠壓出接頭，形成一定的軸向縮短，這個縮短量的大小關系到接頭質量的好壞。

圖2 慣性摩擦焊各階段示意圖

改變摩擦轉速、頂鍛壓力和轉動慣量進行工藝試驗，參數以及每種參數下的縮短量見表4。

表4 304不銹鋼與42CrMo合金鋼的工藝參數

焊接后，用線切割制備金相試樣，在DM2500M型金相顯微鏡下觀察顯微組織。使用HVS-1000 顯微硬度計測量接頭的維氏硬度。載荷為4.9 N，加載時間為15 s，測點間距為0.5 mm。根據GB/T2651—2008的規定制取拉伸試樣，用WE-600型(常溫)拉伸試驗機測量抗拉強度。用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡進行能譜分析及斷口形貌觀察。

2 結果及分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

圖3為304不銹鋼與42CrMo摩擦焊接頭橫截面圖。摩擦焊接頭通常按圖3(b)分為焊縫、熱機影響區(TMAZ)和熱影響區(HAZ)。從圖3可見：焊縫區無明顯氣孔、裂紋等缺陷,接頭飛邊左右對稱；由于是異種鋼焊接，有明顯的結合面。在慣性摩擦焊中，溫度場在焊接界面上的不均勻分布以及2種鋼材的成分不同，使得結合面呈圓弧形。此外，因42CrMo傳熱快，熱量主要都集中在這一側，引起42CrMo側熱影響區變寬，飛邊尺寸也較304不銹鋼側的大，這意味著42CrMo側溫度高，產生的塑性流變金屬更多。比較不同參數對接頭形貌的影響，發現隨著熱輸入的增加，界面溫度升高，形成的塑性變形層增厚，在相同壓力下縮短量增多，形成的飛邊大。如圖3(a) 所示，1#試樣轉動慣量低，熱輸入小，生成的高溫塑性金屬較薄，使得參與變形的金屬少，導致飛邊小，特別是304不銹鋼側只有少量變形。而熱輸入最大的4# 試樣，不僅熱影響區較1#試樣寬，而且形成的飛邊尺寸較大，形態向母材彎曲，封閉完整光滑，說明界面溫度高，生成了足夠的變形熱金屬。摩擦焊的飛邊形貌和尺寸體現了金屬塑性變形的程度，從一定程度上反映了接頭質量。

圖3 焊接接頭宏觀形貌

2.2 焊接接頭的微觀組織

從圖4焊縫界面處的EDS結果可以看出：不同焊接參數下元素都發生了相互擴散， Fe元素往42CrMo側增加，焊縫界面處C元素含量增加，驗證了碳化物層的出現。較大熱輸入讓Mo元素在焊縫附近的濃度更大，其中Cr在近縫區出現一個“峰值”。而對于較大熱輸入的4#試樣，由于溫度高，促進合金元素的擴散，“峰值”比1#試樣更顯著。

對于304不銹鋼，由于其具有較低的熱導率，在焊接過程中熱量通過界面大量地傳遞給42CrMo側，使得304不銹鋼一側的溫度梯度不大，產生的熱影響區比42CrMo窄，焊縫區及熱影響區微觀組織仍以奧氏體為主，只有少量碳化物生成。焊縫處受摩擦熱和力的作用發生了動態再結晶，形成了細小的等軸晶粒。近縫區的晶粒度有明顯長大，從焊縫到熱影響區，經歷了細晶區、粗晶區和混合晶粒區(如圖5(a)所示)。隨著焊接參數的改變，熱輸入逐漸增大，溫度越高元素擴散得越充分，碳化物也析出得多，焊縫中不僅存在碳化物，還生成了σ相。

而42CrMo合金鋼側，由于慣性摩擦焊時間短，焊縫中心區域十分窄小，在低倍下觀察近似成一條細長的線，在42CrMo 側并沒發現明顯的脫碳層。如圖5(b)所示，42CrMo的淬硬傾向較大，從高溫快速冷卻下來后，焊縫附近以貝氏體和馬氏體為主，由于熱機作用產生的再結晶行為使焊縫組織較為細小。焊接溫度場的不均勻分布，使得越靠近母材受高溫影響的程度越小，冷卻越緩慢，馬氏體的數量不斷減少，鐵素體的數量逐漸增加。對比熱輸入相差較大的1#和4#試樣焊縫中心區組織可見：1#試樣熱輸入小，熔合區的組織高溫停留時間短，冷卻速度快，形成的是細小的板條馬氏體組織(圖5(c))；對于熱輸入較大的4#試樣，熔合區的組織高溫受熱時間較長，冷卻速度相對較慢，形成了深灰色的片狀馬氏體、板條馬氏體以及一些貝氏體組織(圖5(d))。而熱輸入相差不大的2#、3#、4#試樣，焊縫生成的組織相同，只是貝氏體的數量稍有不同。

圖5 焊接接頭宏觀形貌

2.3 焊接接頭的力學性能分析

2.3.1 接頭顯微硬度的分布

硬度在異種鋼焊接接頭中的分布是不均勻的，接頭硬度分布的總體趨勢是焊縫中心最高，然后從焊縫兩邊逐漸向熱影響區下降，最后過渡到與母材硬度相同。在42CrMo側熱影響區存在明顯的軟化區，如圖6所示。此外42CrMo側焊縫硬度最高，這也與金相檢測結果一致。從圖中還可以看出：焊接參數對焊縫寬度影響明顯，特別是在熱輸入量大的4#試樣不銹鋼側，焊縫及附近區域高溫停留時間長，熱影響區比1#試樣要寬約1 mm，同時由于焊縫中碳化物和σ相的生成，硬度高。由圖6可見：不同熱輸入下42CrMo側硬度曲線與金相結果一致。

圖6 不同熱輸入的焊接接頭顯微硬度分布

2.3.2 接頭拉伸強度分析

表5的拉伸試驗結果表明：所有試樣的焊接接頭強度都優于母材，而且斷裂的部位均在304不銹鋼母材上；在一定的范圍內，熱輸入變化對抗拉強度影響相差不大，試樣都以45°晶體滑移線的方向斷裂，斷口呈杯錐狀，屬于典型的韌性斷裂。如圖7(a)(b)所示，SEM下斷口的微觀形貌為典型的等軸狀韌窩斷口。在韌窩的周圍排布著大量的撕裂棱，且痕跡較為顯著，可以判斷斷口的斷裂機制是微孔聚合型斷裂。由于外加載荷的作用，在晶體滑移面上產生大量的位錯堆積，逐漸出現微小孔洞。再加上一些夾雜物、第二相析出物等隨之運動，離開原來位置，也留下了細小孔洞，從而導致應力集中，微孔開始形核長大，相互聚集形成新的孔洞，最終連成一片，直至整個接頭發生斷裂。所以，在斷口上可以看到大小不均、深淺不一的韌窩形貌。對于較大熱輸入的4#試樣，斷口中出現的韌窩數量較多，分布更密集。從韌窩的形狀尺寸來看，熱輸入大的韌窩更小、更深，說明熱輸入大的接頭塑性、強度優于熱輸入較小的。

表5 不同熱輸入下，慣性摩擦焊的拉伸性能

圖7 拉伸斷口的微觀形貌

3 結論

1) 304不銹鋼與42CrMo合金鋼慣性摩擦焊的工藝參數設置為：摩擦轉速在3 900～4 500 r/min之間，頂鍛壓力為7 MPa，轉動慣量為1.539 kg·m2，此時能得到優質的焊接接頭。

2) 能譜分析表明：元素發生了相互擴散，有碳化物生成，隨著熱輸入的增大，元素擴散越充分。

3) 42CrMo合金鋼側的飛邊大于304不銹鋼側。從焊縫向母材，304不銹鋼側以單相奧氏體組織為主，焊縫有少量碳化物。42CrMo合金鋼側的近縫區以貝氏體和馬氏體為主。42CrMo側無明顯的脫碳層。隨熱輸入的增加，飛邊尺寸增大，304不銹鋼側有σ相生成，而42CrMo鋼側生成的馬氏體形態不同。

4) 42CrMo側靠近焊縫中心硬度最高，42CrMo側的熱影響區內有軟化區。隨著熱輸入的增大，熱影區寬度增大，304側近焊縫區硬度升高，而42CrMo側硬度下降。

5) 不同參數下的拉伸試樣都斷裂在304不銹鋼母材上，斷口呈45°斷裂。斷前有明顯塑性變形，斷口形貌以韌窩為主，屬于韌性斷裂。

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ProcessofInertiaFrictionWeldingBetween304StainlessSteeland42CrMoSteel

WU Wei1，2， DENG Fa1

(1.College of Materials Science and Engineeingr，Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Chongqing Municipal Engineering Research Center of Institutions of Higher Education for Special Welding Materials and Technology，Chongqing 400054，China)

The suitable inertia friction welding process parameters of 304 stainless steel and 42CrMo steel are explored. Microstructure and performance are analyzed by using optical microscope, SEM, and element distribution scanning. The results show that the dimension of the flash is related to the heat input, which on 42CrMo alloy steel side is larger. A “peak” of Cr element is appeared close to the seam, while the content of C element and Fe element are increased in the interface. There are no obvious decarburized layers on 42CrMo side. The microstructure of 42CrMo side are mainly composed of bainite, martensite, ferrite and sorbite. Martensite morphology is affected by heat input. A finer grains and carbide could be found on 304 side, and σ phase is generated under large heat input. The micro-hardness of 42CrMo steel weld seam is highest. With the increase of heat input, the micro-hardness of 304 stainless steel side increase, while 42CrMo side reduce. The tensile strength of the joint is up to 687.55 MPa, and the joint fracture at the base metal of 304 stainless steel with a ductile fracture, which took the form of dimple fracture.

304 stainless steel；42CrMo steel；inertia friction welding；process parameters；microstructure and performance

2016-11-28

重慶市科委自然科學基金資助項目(cstc2012jjA50026)

吳瑋(1970—)， 女，遼寧沈陽人，碩士，教授，主要從事特種焊接研發及無損檢測研究，E-mail:weiwu@cqut.edu.cn。

吳瑋，鄧發.304不銹鋼與42CrMo鋼慣性摩擦焊工藝[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(12):72-77.

formatWU Wei，DENG Fa.Process of Inertia Friction Welding Between 304 Stainless Steel and 42CrMo Steel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):72-77.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.012

TG453

A

1674-8425(2017)12-0072-06

(責任編輯林 芳)