焊接參數對鐵素體不銹鋼攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響

唐文珅，楊新岐，李勝利，李會軍

(天津大學 材料科學與工程學院，天津 300354)

鐵素體不銹鋼(FSS)具有比奧氏體不銹鋼更低的成本及優異的耐局部腐蝕性能，是一種節鎳環保經濟型材料，近年來在汽車、建筑、家電及能源化工等領域得到廣泛應用，展現出無限的發展前景[1-2]。但是FSS采用熔焊方法焊接，存在熱影響區晶粒粗大、接頭脆化傾向嚴重、焊縫塑韌性較差等限制其大規模發展的問題[3]。

攪拌摩擦焊接是一種新型綠色固相焊接技術，熱輸入較低、焊件變形小、不需要填充材料、可避免使用傳統熔焊方法產生的大多數缺陷等優點[4-7]。目前,隨著耐高溫耐磨損攪拌工具材料的開發，該項技術已實現不銹鋼、鈦合金及耐熱鋼等高熔點金屬的焊接，并且在使用傳統熔焊方法焊接存在較多問題或難以焊接的高熔點材料方面展現出優勢。但是與鋁等輕質合金相比，鋼的攪拌摩擦焊接工藝實驗更為復雜。一是因為不同鋼種的化學成分及所含合金元素具有多樣性，固態相變也十分復雜；二是因為不同材料攪拌工具的熱傳導系數、耐磨損性能及與鋼材的接觸界面摩擦因數均具有一定差異，很難歸納出具有較普遍適用的工藝參數范圍。

國內外學者針對FSS的FSW技術已經開展了一些研究。Park等[3]研究了430 FSS的FSW接頭的組織演變特征和力學性能，發現焊核區由于生成馬氏體和細化的鐵素體，強度顯著高于母材，但斷后伸長率僅達到母材的50%。Lakshminarayanan等[8]的研究表明，409M FSS的FSW接頭能夠保持良好的塑韌性。Cho等[9]發現409 FSS的FSW接頭焊核區組織得到顯著細化，且焊縫不會形成σ相。Bilgin等[10]的研究表明，攪拌工具的轉速和焊接速率等焊接參數對430 FSS的FSW接頭組織和力學性能有不同程度的影響。Han等[11]研究了18Cr-2Mo FSS的FSW接頭組織特征和力學性能，發現攪拌區小角度晶界顯著增加，且接頭具有相對優異的沖擊韌性。但是上述研究未對FSS的FSW接頭低溫韌性進行評價，并且實驗鋼種主要集中在409和430等傳統FSS，而對于通過成分優化獲得的新型低碳FSS的FSW研究報道較少。

本工作選擇鎢錸合金(W-25%Re)攪拌工具對T4003超純FSS進行FSW工藝實驗，研究焊接參數對接頭組織特征及常溫和低溫沖擊韌性的影響規律，為FSS的FSW技術實現工程化應用提供重要依據。

1 實驗材料與方法

實驗板材為4mm厚T4003 FSS，其化學成分如表1所示。將其加工成尺寸為200mm×200mm的試樣，焊接設備為FSW-RL31-010型攪拌摩擦焊機。攪拌工具的轉速ω為150，250r/min,焊接速率v為80，120mm/min。使用W-25%Re攪拌工具，軸肩端面為內凹形，攪拌針為錐形平面。軸肩直徑為15mm，攪拌針根部直徑為5.14mm，頂端直徑為4.20mm，長為2.5mm。

表1 T4003不銹鋼的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of T4003 stainless steel(mass fraction/%)

為觀察接頭微觀組織，沿垂直于焊縫方向制備尺寸為25mm×10mm的金相試樣，經打磨、拋光后采用維列拉腐蝕劑(苦味酸1g+鹽酸5mL+酒精100mL)進行腐蝕處理。采用OLYMPUS GX51光學顯微鏡和Hatchis-4800掃描電鏡進行接頭組織特征觀察;采用截線法統計焊接接頭攪拌區(stir zone, SZ)的晶粒平均尺寸；采用HVS-1000型數顯顯微硬度計對焊縫區顯微硬度進行測試，載荷為0.98N，加載時間為15s。V型缺口沖擊韌度試樣的加工尺寸為55mm×10mm×2.5mm，為得到設計厚度，試樣從焊板下表面磨掉1mm左右，從焊板上表面磨掉0.5mm左右，V型缺口分別開在接頭熱影響區和焊縫中心處，其張開方向與焊縫平行，沖擊試樣尺寸如圖1所示。實驗儀器為ZBC2752型擺錘試驗機，實驗溫度分別為20℃和-20℃。

圖1 沖擊試樣尺寸 (a)熱影響區;(b)攪拌區Fig.1 Dimensions of the impact test samples (a)HAZ;(b)SZ

2 結果與分析

2.1 接頭微觀組織

圖2為T4003不銹鋼FSW接頭宏觀形貌(ω=250r/min，v=120mm/min)，黑色實線表示攪拌針靜態位置。可見焊接接頭主要包括焊縫區和母材區(base materials，BM)，焊縫區又可分為SZ，TMAZ和HAZ。圖2中a，c分別表示SZ頂部(距焊縫表面1mm)和中部(距焊縫表面2mm)的區域，b為前進側(advancing side，AS)TMAZ與HAZ的過渡區域，d為AS的TMAZ，e為BM。

圖2 T4003不銹鋼FSW接頭宏觀形貌(250r/min，120mm/min)Fig.2 Macroscopic morphology of FS-welded T4003 stainless steel joints (250r/min，120mm/min)

文獻證實[8-9,12]，K因子(Kaltenhauser factor)能夠較準確地預測鐵素體不銹鋼FSW接頭SZ的鐵素體(Ferrite，F)含量。計算公式為：

K=[Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb]- [2Mn+4Ni+40(C+N)]

(1)

實驗表明[8-9]：當K≤7.5時，焊縫中幾乎不形成鐵素體。由式(1)計算得T4003不銹鋼的K因子為7.06(<7.5)。通過FSW焊縫峰值溫度計算公式[13-14],可預測出不同焊接參數下接頭SZ的最高溫度皆大于T4003不銹鋼的完全奧氏體化溫度，即接頭SZ室溫組織應全部為馬氏體(martensite，M)。

圖3為對應圖2焊接接頭不同區域的金相圖及SEM圖。由金相圖可知，SZ和內側TMAZ的組織較BM得到一定程度的細化。觀察SEM圖可知，SZ和內側TMAZ的組織由F和M雙相組織構成。這與上述SZ組織的預測結果不符，文獻[15]也得到類似實驗結果。金屬固態相變理論認為，M相變過程中，若奧氏體晶粒較為細小，在其晶界處可能生成F[16]。如圖3(c-2)所示，T4003不銹鋼的母材為單一F組織。FSW過程中，隨著溫度逐漸升高，達到T4003不銹鋼的完全奧氏體化溫度，F轉變為單一奧氏體；由于焊接接頭SZ經受劇烈的塑性變形，在隨后冷卻過程中會促使奧氏體在發生M相變之前經歷動態再結晶過程，生成非常細小的再結晶奧氏體，F在其晶界處形核長大，剩余奧氏體發生M相變[15]，從而T4003不銹鋼FSW接頭SZ的室溫組織為細小等軸F和由再結晶奧氏體轉變而來的細小近似等軸的M構成(圖3(a-2))。

圖4為T4003不銹鋼FSW接頭SZ頂部及中部的顯微組織，其晶粒平均尺寸如表2所示。當攪拌工具的轉速保持一定時，不同焊接速率下接頭SZ頂部位置的組織形貌較為相似。當焊接速率保持一定，轉速從150r/min增加到250r/min時，SZ頂部M的生成量略有增加，晶粒平均尺寸增大1.79～1.94μm。分析認為，FSW過程中，高轉速意味著較大的熱輸入和較快的冷卻速率，即高轉速下FSW接頭的峰值溫度較高且冷卻過程中生成M的傾向較大。高轉速焊接過程中，當SZ頂部組織完全奧氏體化后，較高溫度下再結晶奧氏體粗化，使得F的形核位置減少且尺寸增大，剩余奧氏體增多，從而M的生成量增加。轉速為150r/min時，隨焊接速率從80mm/min增加至120mm/min，SZ頂部的F有增多趨勢(圖4(a-1)，(a-2))；轉速為250r/min時，焊接速率的變化對SZ頂部F的生成量幾乎無影響(圖4(a-3)，(a-4))。分析認為，轉速一定，高焊速意味著SZ承受較劇烈的塑性變形，使得再結晶奧氏體晶粒更為細化，生成的F數量增加，相對生成的M數量減少；轉速為150r/min時，焊速的增加對SZ再結晶奧氏體晶粒的細化作用較強，隨轉速增加至250r/min，焊接熱輸入的增加使得這種細化作用逐漸減弱。

圖3 T4003不銹鋼FSW接頭金相圖(1)和SEM圖(2)(250r/min，120mm/min) (a)攪拌區;(b)熱力影響區;(c)母材Fig.3 OM images(1) and SEM images(2) of FS-welded T4003 FSS joints(250r/min，120mm/min) (a)SZ;(b)TMAZ;(c)BM

當攪拌工具的轉速一定時，不同焊接速率下接頭中部的組織特征存在一定差異。由于中部距離焊縫表面2mm，受到軸肩的摩擦熱作用不明顯，所以中部組織較頂部更為細小。當轉速保持一定，與頂部相比，SZ中部的F增多，M減少。轉速為150r/min時，晶粒平均尺寸減小1.09～1.10μm；轉速為250r/min時，晶粒平均尺寸減小2.07～2.12μm。當轉速保持一定，隨著焊接速率從80mm/min增加到120mm/min時，接頭中部生成的F有增多趨勢，晶粒平均尺寸減小0.24～0.45μm。綜上，T4003不銹鋼FSW接頭SZ組織沿試樣厚度方向存在一定程度的非均質性，且隨著攪拌工具轉速的降低及焊接速率的增大，非均質性越發顯著。

圖4 T4003不銹鋼FSW接頭攪拌區顯微組織 (a)頂部；(b)中部； (1)150r/min,80mm/min;(2)150r/min,120mm/min;(3)250r/min,80mm/min;(4)250r/min,120mm/minFig.4 Microstructures of SZ in the FS-welded T4003 FSS joints (a)top;(b)middle； (1)150r/min,80mm/min;(2)150r/min,120mm/min;(3)250r/min,80mm/min;(4)250r/min,120mm/min

表2 焊接接頭SZ晶粒平均尺寸Table 2 Average grain size of SZ in the welded joints

圖5為T4003不銹鋼FSW接頭前進側TMAZ過渡區域的金相顯微組織。一般來講，FSW過程中TMAZ經受的峰值溫度及塑性變形程度皆低于SZ。所以T4003不銹鋼FSW接頭TMAZ高溫組織應處于F和A雙相區，即其室溫組織也是由F和M雙相組織構成。根據不同的組織特征，TMAZ可分為內側TMAZ和外側TMAZ。內側TMAZ的組織呈細小等軸狀(圖3(b-1))；外側TMAZ的組織由拉長的變形晶粒組成。當攪拌工具的轉速為150r/min時，前進側TMAZ組織呈現大梯度過渡趨勢，變形晶粒明顯拉長，焊接速率的變化對這一特征無明顯影響(圖5(a)，(b))。當轉速增加至250r/min時，由于焊接熱輸入增加，接頭溫度分布梯度逐漸減小，前進側TMAZ組織過渡平緩，變形晶粒無明顯拉長特征(圖5(c))。HAZ組織與BM相似，焊接參數的改變對HAZ幾乎無影響。

2.2 接頭顯微硬度

圖6為T4003不銹鋼FSW接頭顯微硬度的分布曲線。如圖6(a)所示，SZ和TMAZ由于組織得到細化及生成M產生明顯淬硬現象。當攪拌工具的轉速從150r/min增加至250r/min時，焊接接頭最高硬度呈現升高趨勢，其中后退側(retreating side,RS)TMAZ的硬度升高尤為明顯，焊縫區硬度分布趨于均勻，最高硬度為290HV，約為母材的1.87倍。保持攪拌工具的轉速一定，隨著焊接速率從80mm/min增加至120mm/min，接頭最高硬度略有下降。前進側TMAZ過渡至HAZ的硬度降低趨勢隨轉速的增加趨于平緩，這與上述焊接參數對AS過渡區組織的影響規律相吻合。HAZ的硬度值高于162HV，BM的硬度平均值約為155HV。分析認為FSW過程中，T4003不銹鋼焊接接頭HAZ可能有少量納米級析出相彌散生成，使其硬度略高于BM。

圖5 T4003不銹鋼FSW接頭前進側TMAZ過渡區金相顯微組織 (a)150r/min,80mm/min;(b)150r/min,120mm/min;(c)250r/min,120mm/minFig.5 OM microstructures of TMAZ transition zone on the AS in the FS-welded T4003 FSS joints (a)150r/min,80mm/min;(b)150r/min,120mm/min;(c)250r/min,120mm/min

如圖6(b)所示，當轉速為150r/min時，從接頭SZ頂部開始，隨距離增大，硬度呈下降趨勢，且隨著焊接速率從80mm/min升高至120mm/min時，接頭整體硬度降低；當轉速增加至250r/min，從接頭SZ中部開始，隨距離的增大，硬度呈下降趨勢，且接頭SZ頂部和中部的硬度十分接近，此時焊接速率的變化對其幾乎無影響,這主要是由于T4003不銹鋼FSW接頭SZ組織沿厚度方向存在非均質性所致。

圖6 T4003不銹鋼FSW接頭顯微硬度分布 (a)沿橫截面橫向中線；(b)沿橫截面豎向中線Fig.6 Microhardness distributions in the FS-welded T4003 FSS joints (a)transverse midline along the cross section;(b)vertical midline along the crosssection

2.3 接頭沖擊韌性

表3所列為T4003不銹鋼FSW接頭常溫及低溫沖擊吸收功Ak。可見焊接參數和溫度對T4003不銹鋼FSW接頭沖擊吸收功有明顯影響。常溫沖擊實驗(20℃)表明：不同焊接參數下,接頭HAZ的沖擊吸收功可達BM的90%～92%，接頭SZ的沖擊吸收功可達BM的85%～103%。低溫沖擊實驗(-20℃)表明：不同焊接參數下,接頭HAZ的沖擊吸收功可達BM的87%～97%，接頭SZ的沖擊吸收功可達BM的82%～95%。

表3 T4003不銹鋼FSW接頭沖擊吸收功Table 3 Impact absorption energy of FS-welded T4003 FSS joints

雖然攪拌區具有明顯淬硬傾向，但沖擊韌性并沒有明顯降低，焊縫區仍具有較好強韌匹配。但總體來說，不同焊接參數下T4003不銹鋼FSW接頭HAZ的沖擊吸收功稍低于母材，這可能是HAZ存在析出相等異質顆粒所致；SZ低溫沖擊吸收功較常溫略有下降，而HAZ幾乎不受溫度影響；轉速為150r/min、焊接速率為120mm/min時，接頭常溫及低溫沖擊吸收功最佳，其中常溫下SZ的沖擊吸收功高于母材，說明基體組織具有合適比例的低碳M和F時其沖擊韌性比基體組織全部為F時更好。

圖7為T4003不銹鋼FSW接頭沖擊斷口形貌。可見微觀斷口呈現韌窩特征，斷裂模式為韌性斷裂。BM與接頭HAZ的沖擊斷口形貌較為相似，呈現大直徑撕裂或拉長韌窩和小直徑等軸韌窩混合特征[17]，其中常溫下接頭HAZ微觀斷口中的韌窩相對較小且較淺(圖7(b))，其沖擊吸收功最低；接頭SZ的沖擊斷口呈現大小不等的等軸韌窩特征，其中常溫下接頭SZ斷口中的韌窩多而深(圖7(d))，對應沖擊吸收功最高。

圖7 T4003不銹鋼FSW接頭沖擊斷口形貌(150r/min，120mm/min) (a)BM(20℃)；(b)HAZ(20℃)；(c)HAZ(-20℃)；(d)SZ(20℃)；(e)SZ(-20℃)Fig.7 Impact fractographies of FS-welded T4003 FSS joints(150r/min，120mm/min) (a)BM(20℃)；(b)HAZ(20℃)；(c)HAZ(-20℃)；(d)SZ(20℃)；(e)SZ(-20℃)

3 結論

(1)T4003鐵素體不銹鋼FSW接頭SZ和TMAZ由F和M雙相組織構成，HAZ組織與BM相似。

(2)焊接接頭SZ組織沿試樣厚度方向存在非均質性，且隨轉速的降低及焊接速率的增加越發顯著；轉速為150r/min時，AS組織過渡梯度較大，變形晶粒明顯拉長，幾乎不受焊接速率變化的影響；轉速為250r/min時，AS組織過渡平緩，無明顯變形拉長特征；接頭HAZ幾乎不受焊接參數變化的影響。

(3)焊接接頭SZ和TMAZ產生明顯淬硬現象，最高硬度為290HV，約為母材的1.87倍，HAZ硬度略高于母材；隨轉速升高，接頭最高硬度呈升高趨勢，焊縫硬度分布趨于均勻。

(4)焊接參數和溫度對接頭的沖擊吸收功有明顯影響：常溫(20℃)下，熱影響區為母材的90%～92%，攪拌區為母材的85%～103%；低溫(-20℃)下，熱影響區為母材的87%～97%，攪拌區為母材的82%～95%，表明焊縫區仍具有較好強韌匹配。