攪拌頭轉速對球墨鑄鐵/低碳鋼攪拌摩擦搭接接頭強度的影響

鄧子倫

（永城職業學院機電工程系， 河南 永城 476600）

引言

球墨鑄鐵是一種綜合性能特別好的鑄鐵，具有耐磨、減振及缺口應力不敏感等優點，且生產工藝簡單、性價比較高，被廣泛應用于機械、石油、化工等領域[1-2]，特別是在大型風電件、礦機設備、發電件上得到了廣泛的應用[3-4]，正在逐漸代替鋼材。球墨鑄鐵已經在汽車傳動軸、法蘭和一些設備的承重梁組件中逐漸替代低碳鋼[5-6]。但在替代過渡過程中必然用到球墨鑄鐵與低碳鋼的焊接。

球墨鑄鐵中不但含碳量高，而且還含有鎂和稀土等阻礙石墨化的元素。因焊接后冷卻速度快，容易導致焊接接頭處出現白口和麻口的萊氏體組織，這嚴重影響了焊接接頭的強度，球墨鑄鐵與低碳鋼等材質的焊接就更加困難[7]。所以目前球墨鑄鐵與低碳鋼的焊接都要選用特殊焊條，并且還要對焊接件進行預加熱，這嚴重降低了焊接效率、增加焊接成本。

攪拌摩擦焊是一項新的固態焊接技術，將轉動的攪拌頭插入被焊材料，通過對材料的攪拌、摩擦和頂鍛作用使材料局部產生塑性流動，達到材料接合的目的。該焊接方法經濟實用，被廣泛應用于有色金屬領域，但在黑色金屬焊接領域卻沒有得到廣泛應用，近年來才受到重視[8-10]。

球墨鑄鐵焊接過程中容易出現裂紋、孔洞和力學性能惡化等缺點[11-12]，作者利用攪拌摩擦焊對球墨鑄鐵與低碳鋼實施了搭接焊，研究了攪拌頭轉速對接頭強度、宏觀形貌和顯微組織的影響。

1 試樣制備與實驗方法

母材選用鐵素體基球墨鑄鐵和80F 低碳鋼，其厚度分別為1.2 mm 和3 mm，尺寸均為90 mm×40 mm，化學成分如表1 所示。攪拌頭逆時針方向旋轉，轉速ω 分別設定為60 r/min、70 r/min、80 r/min、85 r/min、90 r/min、1 000 r/min 和1100 r/min，進給速度v 均為60 mm/min，實施攪拌摩擦搭接焊。選用平面圓錐型攪拌頭，材料為碳化鎢，攪拌頭軸肩直徑、攪拌針長度和下端直徑分別為12 mm、2.8 mm 和3.6 mm。拉剪試樣尺寸如圖1 所示。

表1 母材化學成分%

截取接頭橫截面進行拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用JSM-5600 型掃描電鏡觀察其顯微組織，另取試樣只進行拋光后利用光學顯微鏡觀察宏觀形貌。利用RG2000-20 型電子萬能實驗機進行拉剪實驗，夾頭移動速度為2 mm/min，對各參數試樣進行多次拉伸，對多個數據求平均值，并給出誤差帶。

2 實驗結果與討論

2.1 拉剪剝離強度

試樣拉剪剪剝離強度如下頁圖2 所示，攪拌頭轉速由低到高變化過程中，試樣拉剪剪剝離強度由1218 N/cm 緩慢下降至1 132 N/cm，當攪拌頭轉速超過800 r/min 后，剪剝離強度出現大幅度增大，超過900 r/min 后，增幅放緩，轉速1 000 r/min 對應的剪剝離強度最大，為3 907 N/cm，超過1 000 r/min 后，剪剝離強度呈緩降趨勢。

2.2 接頭宏觀形貌及顯微組織

圖3 所示為850 r/min、60 mm/min 試樣的宏觀形貌及顯微組織，其中圖3-2 為接頭宏觀形貌。攪拌區上部經動態再結晶形成16～20 μm 的等軸鐵素體晶粒，如圖3-1 所示。圖3-2 右上角顯微組織如圖3-3所示，球墨鑄鐵中少量石墨在攪拌摩擦作用下被帶動到頂板中，頂板低碳鋼中，增加了低碳鋼中的碳元素含量，最終在冷卻過程中形成珠光體。攪拌區中部顯微組織如圖3-5 所示，球墨鑄鐵中的石墨核在塑性流動作用下形成帶狀結構，基體中原有的鐵素體轉變為珠光體結構。攪拌摩擦作用未使攪拌區左右兩側的接合面良好的接合，如圖3-4 和圖3-6 所示。

圖4 為1 000 r/min、60 mm/min 試樣的宏觀形貌及顯微組織。攪拌區上部低碳鋼經動態再結晶形成約20 μm 等軸鐵素體晶粒，如圖4-1 所示。底板鑄鐵在強烈的塑性流作用下，被帶動到頂板中，促進二者接合面處材料接合，在接頭的右上角可看到少量帶狀組織，如圖4-3 所示，該處材料以珠光體為主。攪拌區中部為球墨鑄鐵母材，石墨中的碳元素在攪拌摩擦作用下擴散進鐵素體，溫度升高至共析轉變溫度后，石墨附近的鐵素體基體形成奧氏體[13]，而在后續冷卻過程轉變為珠光體和馬氏體如4-5 圖所示。攪拌摩擦的綜合作用使前進邊和后退邊附近的接合面接合的更加緊密，如圖4-4 和圖4-6 所示。

通過分析拋光后未經腐蝕的接頭橫截面石墨顆粒分布，進一步分析接頭組織變化。圖5-1 為600 r/min 試樣宏觀形貌，在劇烈的攪拌摩擦作用下，石墨顆粒沿材料塑性流動方向被拉長形成帶狀，破壞了母材的均勻性，在拉伸剪切實驗中，裂縫沿拉長的石墨延伸并使試樣斷裂，如圖2 所示。850 r/min 試樣宏觀形貌如5-2 所示，接頭右上方出現長條狀石墨聚焦區，攪拌區底部存在大量石墨聚集，試樣受拉剪作用時，裂縫從右上方的石墨聚集區開始延伸至攪拌區底部石墨聚集區，使試樣斷裂。1 000 r/min 試樣宏觀形貌如5-3 所示，頂板與底板之間的界限已經不太明顯，多數石墨顆粒分布均勻，高轉速攪拌作用破壞了原始的球狀石墨，產生的高溫作用促使石墨核重新形成，重新形成的石墨核增強了接頭的強度，試樣在拉剪作用下最終從低碳鋼處斷裂。

3 結論

1）固定攪拌頭進給速度為60 mm/min，攪拌頭轉速超過800 r/min 后，對應的接頭拉剪剪剝離強度提高很快，攪拌頭轉速1 000 r/min 對應的接頭斷裂于低碳鋼母材處，其拉剪剪剝離強度最大，達到3 907 N/cm；

2）攪拌頭轉速過低會使接頭處形成帶狀石墨聚集區，成為接頭斷裂路徑，降低了接頭強度；

3）提高攪拌頭轉速可有效促進兩材料接合面接合，且有利于石墨顆粒分布均勻，從而提高接頭強度。