316L不銹鋼攪拌摩擦焊與氬弧焊接接頭組織性能比較

郭 韡，張康武，俞洪杰，尹 剛

(中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

0 前言

不銹鋼具有優良的力學性能、化學和工藝性能(如耐蝕性、耐磨性、耐熱性、成形性、相容性及在很寬溫度范圍內的強韌性)，并且其外觀精美、強度高，因此廣泛應用于石油、化工、造船、機械、軍工、核電、生活用品等行業。焊接是不銹鋼的重要加工工藝，但傳統的焊接工藝對不銹鋼的影響較大，尤其是焊接過程中造成不銹鋼變形，對于不銹鋼的使用性能來說，具有重要影響。如奧氏體不銹鋼焊縫中的凝固裂紋及液化裂紋，鐵素體不銹鋼焊縫中的氫致裂紋、凝固裂紋以及高溫脆化現象，馬氏體不銹鋼的可焊接性較差，易產生冷裂紋，接頭抗腐蝕能力較弱等。攪拌摩擦焊接作為一種特殊的焊接方法，消除了傳統熔化焊接時出現的焊接缺陷，現已應用于鋁、鎂等輕質合金的焊接。為滿足不銹鋼在不同領域的市場需求，將窄的不銹鋼焊接成寬幅不銹鋼板，擴大了攪拌摩擦焊接可焊材料的范圍。因此本文對不銹鋼的攪拌摩擦焊接接頭組織性能進行了試驗研究，為不銹鋼焊接應用提供了參考依據。

1 實驗材料與方法

試驗選用2 mm的316L奧氏體不銹鋼板材進行攪拌摩擦焊以及鎢極氬弧焊焊接。攪拌摩擦焊接攪拌頭材料為硬質合金，攪拌頭軸肩直徑為12 mm，攪拌針高度為1.75 mm，直徑為3.3 mm。攪拌頭行進速度為47.5 mm/min，轉速為600 r/min，焊接過程中采用氬氣保護。采用交直流鎢極氬弧焊機對試驗板材進行傳統雙面自熔化焊接，鎢極直徑選擇2 mm，氣體流量約為7 L/min，噴嘴內徑為12 mm。金相試樣采用氯化鐵鹽酸水溶液(FeCl3為10 g，HCl為30 mL，蒸餾水為120 mL)腐蝕。

2 結果與討論

2.1 焊接接頭組織形貌比較

2.1.1攪拌摩擦焊接接頭組織形貌

圖1a為316L奧氏體不銹鋼母材(BM)的光學顯微組織。從圖中可見，316L不銹鋼的晶粒大小不一，且分布不均。從圖1b中可以看出，經攪拌摩擦焊接后，焊核區(Nugget)晶粒與316L不銹鋼母材的晶粒形成了明顯的反差。攪拌摩擦焊接時，攪拌針及軸肩旋轉、下壓所產生的熱量促使焊核區溫度快速升高，從而產生了高溫粘塑性變形，母材粗大的晶粒在攪拌針的高速旋轉下充分破碎，并且發生了動態再結晶，組織晶粒明顯細化。因此，焊核區主要以細小且均勻的等軸晶為主。

熱機影響區在焊核區和熱影響區(HAZ)之間，由于此區域相對較窄，有時不太明顯。熱機影響區金屬主要依靠攪拌針外圍所產生的攪拌旋轉慣性作用發生了一定程度的拉長變形，變形程度沒有焊核區明顯，晶粒相對粗大且不均勻；由于焊件沿厚度方向向下的溫度分布逐漸降低，從而產生了一定的溫度梯度，因此不同厚度區域材料的粘性系數以及摩擦阻力也產生了相應的梯度差，導致熱機影響區呈現出具有一定方向性的均勻的層狀組織，如圖1c。熱影響區離焊縫中心相對較遠，所以溫度相對較低，主要以焊接過程中產生的循環熱為主，不產生塑性變形，晶粒相對粗大，如圖1d所示。

圖1 攪拌摩擦焊接接頭顯微組織

2.1.2鎢極氬弧焊接接頭組織形貌

鎢極氬弧焊接接頭由三部分組成，即焊縫區(Welding zone，簡稱WZ)、熱影響區和母材，如圖2a所示。在母材與焊縫的過渡區，未熔化的金屬相當于鑄造過程中鑄模的模壁，可以當做非均勻形核的母體，因此在焊接循環快速冷卻過程中會迅速產生大量的晶核，且同時向不同方向生長。由于晶核數目太多，故鄰近的晶粒還未長大便相互碰撞，不能繼續生長，便在焊縫區附近形成一薄層細晶(Fine grain，簡稱FG)區，如圖2 b所示。焊縫區主要由柱狀晶(Columnar crystal，簡稱CC)組成，未發現明顯的等軸晶。主要是由于當細晶區形成后會有大量的結晶潛熱釋放，減小過冷度，新的晶核很難形成，但是有利于細晶區內靠近液相的某些小晶粒的持續長大。同樣當遇到其他晶粒后便停止生長，最后形成相互平行且粗大而致密的柱狀晶區，如圖2c所示。

從奧氏體不銹鋼焊接的微觀組織看，奧氏體不銹鋼的熔化焊接的凝固和固態相變有四種可能模式，分別為A、AF、FA和F凝固模式：A凝固模式得到的微觀組織為全奧氏體，規整的凝固組織；AF為鐵素體存在于胞晶晶界和枝晶；FA由鐵素體→奧氏體相變后形成的骨架狀和(或)板條狀鐵素體；F為針狀鐵素體或者是鐵素體母相晶粒邊界上含有魏氏體狀奧氏體。從鐵素體的形狀來判斷，即為板條狀或骨架狀，因此316L奧氏體不銹鋼鎢極氬弧雙面焊接的凝固過程應屬于FA凝固模式，即是以δ鐵素體為初始析出相的凝固過程，在凝固末端前形成奧氏體，這種奧氏體是通過包晶-共晶反應形成的，并在凝固末端時存在于凝固的鐵素體晶粒邊界。

圖2 鎢極氬弧焊接接頭顯微組織

2.2 顯微硬度測試

圖3所示為母材及兩種焊接接頭的顯微硬度分布。攪拌摩擦焊、鎢極氬弧焊接接頭及母材的平均顯微硬度值分別為195.5 HV、160.7 HV和159.7 HV。從圖中可以看出，攪拌摩擦焊接接頭的顯微硬度明顯高于鎢極氬弧焊接接頭及母材的顯微硬度。其中，攪拌摩擦焊接接頭的平均顯微硬度值與母材相比提高了35.8 HV，其峰值比母材高49.7 HV，顯微硬度大大增加。攪拌摩擦焊接接頭焊核區的顯微硬度值較其他區域相對較高。主要是因為在攪拌摩擦焊接過程中，焊縫金屬發生了劇烈的塑性變形，且受到了較高的熱循環，引發了動態再結晶，形成了均勻且細小的再結晶晶粒，細晶強化是材料顯微硬度提高的主要作用；此外，焊接過程中所產生的加工硬化以及殘余應力對焊核區顯微硬度的提高也起到了一定的作用。對于鎢極氬弧焊接來說，焊縫區經歷了熔化和凝固的過程，容易出現組織疏松、孔洞、偏析等鑄造缺陷，因此顯微硬度相對較低。熱影響區的金屬主要受到焊接熱循環作用，沒有發生熔化，不存在鑄造缺陷，因此顯微硬度略高于焊縫區。

圖3 顯微硬度分布

3 結束語

(1)攪拌摩擦焊接屬于固相連接。由于焊縫金屬受到了劇烈的機械攪拌和塑性變形，促使原始粗大的晶粒破碎，組織發生了動態再結晶，細化了晶粒；鎢極氬弧焊接過程中，焊縫區域溫度超過了焊件材料的熔點，整個焊接過程屬于小熔池的凝固，焊縫呈現出典型的鑄態組織。

(2)攪拌摩擦焊接接頭的顯微硬度與母材和鎢極氬弧焊接接頭相比顯著提高，其顯微硬度分別為195.5 HV、159.7 HV和160.7 HV。細晶強化作用對攪拌摩擦焊接接頭顯微硬度的提高起到了至關重要的作用。