超高強(qiáng)度鋼35CrMnSi 慣性摩擦焊接頭組織與性能

戴明輝，代野，陳大軍，李忠盛，吳護(hù)林

(西南技術(shù)工程研究所，重慶400039)

0 前言

35CrMnSi鋼是一種低合金高強(qiáng)度鋼，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，熱處理后的35CrMnSi鋼可以獲得良好的綜合力學(xué)性能，在保證較高強(qiáng)度的同時(shí)保有足夠的韌性，因此，主要用于制造中速、重載、高強(qiáng)度的零件及高強(qiáng)度構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁等航空受力結(jié)構(gòu)件，還作為戰(zhàn)斗部殼體材料［1－3］。慣性摩擦焊具有接頭質(zhì)量好、適用范圍廣、焊件尺寸精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)連接［4－6］。

為此用慣性軸向摩擦焊技術(shù)對(duì)35CrMnSi鋼管進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，分析其焊接接頭組織與力學(xué)性能，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用35CrMnSi鋼管為熱鍛退火態(tài)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。待焊件為機(jī)械加工后的鋼管，外徑 Φ157 mm，壁厚10 mm，長(zhǎng)300 mm。

試驗(yàn)采用的焊機(jī)為大功率特種慣性摩擦焊機(jī)(型號(hào)CT-130)，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，進(jìn)行了35CrMnSi鋼管的慣性摩擦焊試驗(yàn)。焊前需對(duì)待焊接面進(jìn)行去油污/氧化皮處理，焊接過(guò)程采用二級(jí)加壓，即主軸轉(zhuǎn)速上升到一定轉(zhuǎn)速后，施加一級(jí)摩擦壓力，焊接界面接觸并摩擦溫升，處于高溫塑性狀態(tài)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降低到一定值后，施加二級(jí)頂鍛壓力至轉(zhuǎn)速下降為0，并持續(xù)保壓一段時(shí)間，其中摩擦壓力與頂鍛壓力均為焊機(jī)表壓。

表1 35CrMnSi鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

使用線切割從焊件上切取焊接接頭試樣，金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕;按照 GB/T 228．1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分 室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試樣的線切割;按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工沖擊試樣;利用ZEISS Observer A1m光學(xué)顯微鏡分析結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)與組織形態(tài);利用HM-MT1000顯微硬度測(cè)試儀測(cè)試結(jié)合面的顯微硬度;在MTS-880萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試焊接接頭力學(xué)性能;利用Hitachix-650掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌;在夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試接頭沖擊吸收能量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 焊接接頭顯微組織分析

摩擦焊后35CrMnSi鋼管軸向燒損量為13．84 mm，焊后照片如圖1a所示。圖1b為摩擦焊接頭宏觀照片，焊接接頭處無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷，焊接質(zhì)量良好。內(nèi)外焊縫的飛邊均勻，卷曲充分，可以初步判斷出焊接試驗(yàn)效果較好。

圖1 35CrMnSi鋼管慣性軸向摩擦焊焊接試樣

圖2 35CrMnSi鋼管慣性軸向摩擦焊焊接接頭微觀組織形貌

慣性軸向摩擦焊焊接接頭一般由焊縫區(qū)、熱力影響區(qū)和母材區(qū)組成。35CrMnSi鋼管慣性軸向摩擦焊接頭組織如圖2所示，圖2a為摩擦焊接頭組織，可以明顯看出焊縫區(qū)、熱力影響區(qū)與母材區(qū)組織的區(qū)別。圖2b為焊縫區(qū)組織，主要為板條馬氏體，并有少量殘余奧氏體，這是因?yàn)閼T性軸向摩擦焊過(guò)程中，焊縫中心溫度快速升高，達(dá)到1 100℃左右;而對(duì)于35CrMnSi鋼這種材料，其臨界溫度AC3為880℃左右。焊縫中心組織完全奧氏體化后，奧氏體晶粒長(zhǎng)大速度很快，然而隨著飛輪轉(zhuǎn)速下降，焊縫熱量沿鋼管軸向傳熱，焊縫在高溫停留時(shí)間很短，隨后快速冷卻，奧氏體組織過(guò)冷后形成了板條馬氏體組織，但仍有少數(shù)奧氏體由于來(lái)不及轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)，從而形成了板條馬氏體+少量殘余奧氏體的組織。圖2c為熱力影響區(qū)組織，主要為細(xì)小的馬氏體、索氏體、珠光體與鐵素體，晶粒尺寸比焊縫與母材更加細(xì)小，這是因?yàn)闊崃τ绊憛^(qū)組織在焊縫區(qū)金屬高溫傳熱與軸向壓力作用下，晶粒破碎，并呈現(xiàn)出一定的流線;圖2d為母材組織，由粒狀珠光體與網(wǎng)狀鐵素體組成。

對(duì)焊后試樣進(jìn)行淬火加熱溫度為900℃，進(jìn)行油冷1 h的淬火處理。隨后加熱至230℃，進(jìn)行2 h空冷的回火處理，熱處理后摩擦焊接頭組織分布均勻，接頭組織分區(qū)現(xiàn)象完全消失。圖3為熱處理后的焊接接頭組織，主要為回火馬氏體。

圖3 熱處理后35CrMnSi鋼管慣性軸向摩擦焊接頭微觀組織形貌

2．2 焊接接頭顯微硬度

圖4 為35CrMnSi鋼管慣性軸向摩擦焊接頭的顯微硬度分布，硬度測(cè)試位置為金相試樣寬度方向中心位置。由圖4可知，距離焊縫中心±1 mm的范圍內(nèi)(即焊縫區(qū))顯微硬度約為590 HV0．3。熱力影響區(qū)的顯微硬度隨著距焊縫中心距離的增大而逐漸降低，其單邊寬度約1．5 mm。在距焊縫中心2 mm左右處即為母材顯微硬度，約230 HV0．3。焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果與焊縫區(qū)、熱力影響區(qū)、母材的顯微組織相吻合，即焊縫區(qū)的馬氏體硬度最高、熱力影響區(qū)的混合組織次之，母材的珠光體最低。熱處理后，焊接接頭與母材顯微硬度均在490～500 HV0．3之間。

圖4 焊接接頭顯微硬度

2．3 焊接接頭力學(xué)性能與斷口形貌

對(duì)摩擦焊接頭取圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，試樣直徑為6 mm，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，斷裂后的拉伸試件如圖5所示。從表3拉伸試樣斷裂位置可以看出，35CrMnSi鋼管的慣性軸向摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度高于母材。

表3 35CrMnSi鋼慣性軸向摩擦焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 拉伸試驗(yàn)后的摩擦焊接頭拉伸試樣

對(duì)熱處理后的焊接接頭取圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，試樣直徑為6 mm，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，斷裂后的拉伸試樣如圖6所示。從表4可以看出，35CrMnSi鋼管熱處理后焊接接頭抗拉強(qiáng)度均超過(guò)1 890 MPa，所有試樣拉伸過(guò)程均有屈服過(guò)程，并且具有一定的斷后伸長(zhǎng)率，表現(xiàn)出一定的塑性性能，表明通過(guò)軸向慣性摩擦焊焊接的35CrMnSi鋼管接頭性能良好。其中1號(hào)、2號(hào)試樣斷裂位置為焊接接頭焊縫區(qū)，3號(hào)試樣斷裂位置為遠(yuǎn)離焊縫中心的母材，如圖6所示。

表4 熱處理后35CrMnSi鋼摩擦焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 熱處理后接頭拉伸試樣

1號(hào)拉伸試樣斷裂位置焊縫中心，斷面呈現(xiàn)45°剪切斷裂，其斷口掃描電鏡形貌如圖7所示。從圖7a的斷口整體形貌中可以看出，由內(nèi)到外依次為纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇區(qū)，纖維區(qū)在圖7a的中上部，放射區(qū)呈現(xiàn)人字花樣，表明裂紋擴(kuò)展方向從上至下，剪切唇區(qū)有0．5 mm左右的寬度，斷口平齊、光亮與拉伸應(yīng)力垂直。圖7b中纖維區(qū)韌窩尺寸小、深度淺，說(shuō)明焊縫塑性較差。圖7c中放射區(qū)有較多的韌窩，局部呈現(xiàn)解理斷裂并存在二次裂紋，屬于混合斷裂。通過(guò)斷口掃描電鏡照片可以看出整體形貌呈現(xiàn)混合斷裂特征。

2．4 焊接接頭沖擊吸收能量

對(duì)熱處理后焊接接頭進(jìn)行線切割，切取V形缺口沖擊試樣3件，在2 mm擺錘刀刃下測(cè)試沖擊吸收能量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，試驗(yàn)后試樣照片如圖8所示。V形缺口沖擊試樣焊接接頭的沖擊吸收能量大于18．5 J，由于熱處理后焊接接頭的組織主要為回火馬氏體，故焊接接頭的沖擊韌性較差。

圖7 1號(hào)拉伸試樣斷口形貌

表5 熱處理后35CrMnSi鋼摩擦焊接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖8 沖擊試驗(yàn)后的試樣

3 結(jié)論

(1)35CrMnSi鋼慣性軸向摩擦焊接頭無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷，焊接質(zhì)量良好，焊縫組織以板條馬氏體為主，并有少量殘余奧氏體，熱力影響區(qū)組織主要為細(xì)小的馬氏體、索氏體、珠光體與鐵素體，晶粒尺寸比焊縫與母材更加細(xì)小，經(jīng)熱處理后，焊接接頭組織差異消失。

(2)摩擦焊接頭拉伸試樣斷裂位置位于遠(yuǎn)離焊縫中心的母材，焊接接頭的顯微硬度、強(qiáng)度均高于母材。

(3)經(jīng)淬火+低溫回火后的35CrMnSi鋼慣性軸向摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 890 MPa以上，拉伸斷口形貌呈現(xiàn)混合斷裂特征，V形缺口沖擊試樣焊接接頭的沖擊吸收能量大于18．5 J，沖擊韌性較差。