35#鋼摩擦焊多級(jí)加壓對(duì)軸向縮短量及焊后組織的影響①

高思遠(yuǎn)，趙旭東，李衛(wèi)民

(1.錦州師范高等專科學(xué)校機(jī)械電子工程系，遼寧 錦州 121001; 2.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

摩擦焊接作為一種固相連接技術(shù)與熔化焊具有本質(zhì)上的區(qū)別，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，已廣泛應(yīng)用于眾多高新技術(shù)領(lǐng)域中[1]。在批量生產(chǎn)及低成本加工制造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]。張會(huì)[3]對(duì)08F鋼及20#鋼在某一特定焊接工藝參數(shù)下的摩擦焊接接頭組織進(jìn)行了研究。楊名鄂等[4]以45#鋼的大截面液壓缸連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程為例，探究了摩擦壓力、摩擦?xí)r間、頂鍛壓力與保壓時(shí)間四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊接抗拉強(qiáng)度的影響。朱海[5]研究了二級(jí)摩擦壓力、二級(jí)摩擦位移以及頂鍛壓力三者聯(lián)合作用對(duì)焊接軸向縮短量的影響。

從上述研究中可以看出，研究人員的研究方向主要集中在焊后力學(xué)性能及焊接組織觀察方面。在對(duì)軸向縮短量的研究中而忽略了在多級(jí)加壓方式下一、二級(jí)摩擦壓力與位移四個(gè)參數(shù)聯(lián)合完成焊接對(duì)焊件軸向縮短量的影響。因此文中以35#鋼為焊件母材，基于連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接原理，采用正交試驗(yàn)的方法探究中等直徑焊件多級(jí)加壓方式下對(duì)軸向縮短量的影響規(guī)律，并對(duì)焊接接頭組織進(jìn)行了相關(guān)分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

焊件母材選用35#鋼，其顯微組織如圖1所示，母材組織中呈亮白色的為鐵素體，鐵素體主要是碳和合金元素溶解在α-Fe中形成的固溶體，在室溫下溶碳量一般為0.008%左右，鐵素體在光學(xué)顯微鏡下通常為多邊形顆粒，具有較低硬度，但塑性相對(duì)優(yōu)良，相同腐蝕時(shí)間內(nèi)受到硝酸侵蝕作用較淺；組織中呈暗黑色層片狀的為珠光體，珠光體主要為鐵素體和滲碳體形成的機(jī)械混合物，在室溫緩冷狀態(tài)下一般為片層結(jié)構(gòu)，隨著奧氏體過(guò)冷度增大片層也逐漸變得細(xì)密，同時(shí)硬度也隨之增高，珠光體硬度與鐵素體相比要高，同樣具有一定塑性，相同腐蝕時(shí)間內(nèi)受到硝酸侵蝕程度較深。

選用的摩擦焊接設(shè)備為AGF35型連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)，焊機(jī)噸位為14t。對(duì)于試件金相組織的觀察主要采用Axio Vert. A1型倒置式金相顯微鏡進(jìn)行觀察，在距離焊件焊縫兩側(cè)5mm處進(jìn)行切割處理，并采用線切割技術(shù)沿其縱軸線剖開(kāi)進(jìn)行顯微組織觀察。對(duì)焊件進(jìn)行顯微硬度測(cè)試時(shí)采用DHV-1000AV型數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在測(cè)試時(shí)選用加載載荷為0.2kgf，加載時(shí)間為10s。

圖1 母材顯微組織

圖2 焊件接頭宏觀形貌

1.2 焊件加工與試驗(yàn)方法

母材選用直徑為20-10mm的空心桿件，旋轉(zhuǎn)端焊件長(zhǎng)度為100mm，移動(dòng)端焊件長(zhǎng)度為250mm，焊件由成品毛坯棒料經(jīng)粗車、半精車以及鉆孔等加工后完成焊接母材的制備，其中焊件母材軸端面為光滑端面且未經(jīng)倒角。在對(duì)焊件加工上采用多級(jí)加壓方式完成試件的焊接，研究因素主要為：一級(jí)摩擦壓力、一級(jí)摩擦位移、二級(jí)摩擦壓力、二級(jí)摩擦位移四個(gè)工藝參數(shù)。進(jìn)行9組四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，所列的正交因素水平表，如表1所示。研究中每一水平下的焊接轉(zhuǎn)速均為1800rpm，頂鍛壓力為各水平下二級(jí)摩擦壓力值的2倍，頂鍛保壓時(shí)間均為5s。

表1 正交因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

將上述擬定的各加工工藝參數(shù)的組合依次輸入摩擦焊機(jī)的工控機(jī)中完成焊接，對(duì)焊件軸向長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量后進(jìn)行記錄，正交實(shí)驗(yàn)方案及軸向縮短量結(jié)果，如表2所示。各因素對(duì)焊件軸向縮短量影響的極差分析結(jié)果，如表3所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及軸向縮短量結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

根據(jù)極差分析結(jié)果得出各因素對(duì)于軸向縮短量影響的極差分別為R1=0.56，R2=0.5，R3=0.83，R4=1.23，通過(guò)比較各極差數(shù)值不難看出二級(jí)摩擦位移對(duì)于焊件軸向縮短量的影響最大，當(dāng)活塞桿成品對(duì)軸向長(zhǎng)度公差控制較嚴(yán)時(shí)應(yīng)慎重選取這一加工參數(shù)。同時(shí)對(duì)軸向縮短量的影響二級(jí)摩擦壓力次之，一級(jí)摩擦位移對(duì)軸向縮短量的影響最不明顯。

3 焊后組織觀察與顯微硬度測(cè)試

3.1 焊件宏觀形貌觀察

從圖2焊件的焊后外觀可以看出，焊件飛邊沿焊縫兩側(cè)呈對(duì)稱分布且飛邊飽滿，證明塑性金屬層金屬流動(dòng)充分，因此母材焊合具有較好的同軸度。觀察焊件焊縫周圍可以看出,焊件熱影響區(qū)寬度略有不同但彼此變化不大，從擠出的飛邊顏色可以看出均呈現(xiàn)灰黑色，證明焊件達(dá)到摩擦焊接所需的焊接溫度且塑性金屬層金屬與空氣間氧化反應(yīng)充分。

圖3 焊件顯微組織

3.2 焊件顯微組織觀察

以5號(hào)焊件接頭為例對(duì)焊件接頭組織進(jìn)行討論。圖3(a)為焊接接頭在低倍鏡下的宏觀形貌，可以看出焊件焊縫處均具有一定的熱影響區(qū)寬度，焊件接頭內(nèi)部不存在明顯的雜質(zhì)及焊接缺陷。

圖3(b)為焊件焊縫顯微組織，在焊接過(guò)程中處于焊縫及附近區(qū)域的母材由于外力做功的緣故溫度迅速被加熱到AC3～1100℃之間，在這一區(qū)域母材中原來(lái)比較粗大的鐵素體與珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在頂鍛壓力作用下，經(jīng)轉(zhuǎn)化后奧氏體晶粒出現(xiàn)了較大程度的變形和破碎，焊件接頭在空氣中冷卻便得到了均勻而細(xì)小的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，在此區(qū)域內(nèi)材料的塑性和韌性均得到了有效提升，得到了較為細(xì)小的等軸無(wú)畸變晶粒[6]。從焊縫處組織形貌可以看出，焊件焊縫處母材組織的晶粒得到了細(xì)化，獲得了細(xì)小的鐵素體與珠光體相互融合的優(yōu)良組織。

圖4 焊件熱機(jī)影響區(qū)及焊縫處得顯微硬度變化規(guī)律

圖5 3號(hào)焊件顯微組織

圖3(c)為熱影響區(qū)顯微組織，在這一區(qū)域內(nèi)部焊接時(shí)溫度值主要處于AC1～AC3之間，在這一溫度區(qū)間內(nèi)只有部分組織發(fā)生相變重結(jié)晶，成為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體。但另一部分始終未能溶入奧氏體的鐵素體，成為粗大的鐵素體。觀察焊件的熱影響區(qū)顯微組織形貌可以看出，熱影響區(qū)主要由塊狀的鐵素體組織以及珠光體組織組成，晶界不明顯，在珠光體組織之間還存在著一定數(shù)量的晶粒細(xì)小的鐵素體組織。在塊狀鐵素體組織周圍彌散著珠光體組織。在摩擦扭矩作用下焊件組織中靠近焊縫一側(cè)的珠光體及鐵素體晶粒均沿著摩擦扭矩方向拉長(zhǎng)，同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)晶粒不等大，內(nèi)部組織并不均勻，在該區(qū)域內(nèi)由于不完全重結(jié)晶的發(fā)生，在遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)仍會(huì)存在一定數(shù)量的粗大晶粒，所以這一區(qū)域機(jī)械性能亦不均勻，熱影響區(qū)硬度值應(yīng)比焊縫處硬度值低。

3.3 焊件顯微硬度測(cè)試

在對(duì)焊件進(jìn)行顯微硬度測(cè)試時(shí)，為使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確在對(duì)母材進(jìn)行顯微硬度測(cè)試時(shí)，選擇了3個(gè)不同焊件并取樣3次進(jìn)行母材顯微硬度測(cè)試，將9個(gè)硬度值相加求得的均值為215.67HV，并以此作為母材顯微硬度值。所測(cè)得的熱機(jī)影響區(qū)及焊縫處的顯微硬度值，如圖4所示。 觀察圖4中曲線的變化規(guī)律可以清楚的看出，各焊件焊縫的顯微硬度值明顯高于母材。5號(hào)焊件及8號(hào)焊件焊縫處具有較高的顯微硬度，6號(hào)焊件焊縫顯微硬度值較低。從焊接工藝參數(shù)設(shè)置上可以看出5號(hào)焊件具有相對(duì)較高的摩擦壓力，8號(hào)焊件二級(jí)摩擦位移值較大，即摩擦產(chǎn)熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，由此可見(jiàn)適當(dāng)選用較高壓力或較長(zhǎng)摩擦?xí)r間有利于獲得高強(qiáng)度的焊件接頭。而6號(hào)焊件摩擦位移及摩擦壓力相對(duì)較小，相比于其余焊件晶粒出現(xiàn)的變形和破碎程度不大。

相對(duì)于熱機(jī)影響區(qū)顯微硬度具有較大波動(dòng)，3號(hào)焊件熱機(jī)影響區(qū)顯微硬度值最高，3號(hào)焊件的熱影響區(qū)組織如圖5所示，5號(hào)焊件熱影響區(qū)顯微硬度值最低。從焊接工藝參數(shù)設(shè)置上可以看出3號(hào)焊件二級(jí)摩擦壓力高且摩擦位移大，由于摩擦?xí)r間長(zhǎng)焊件接頭溫度由焊縫向熱機(jī)影響區(qū)發(fā)生的熱傳遞充分，滿足了焊件達(dá)到正火態(tài)時(shí)的溫度，而5號(hào)焊件由于摩擦位移較短，相較于焊件3焊接時(shí)間較短導(dǎo)致焊件接頭發(fā)生熱傳遞不充分，未達(dá)到正火態(tài)溫度，從而導(dǎo)致熱機(jī)影響區(qū)內(nèi)部組織并不均勻，組織沒(méi)有得到有效細(xì)化，存在一定數(shù)量的粗大晶粒，5號(hào)焊件熱機(jī)影響區(qū)的顯微組織圖印證了這一特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)在多級(jí)加壓的焊接方式下，各工藝參數(shù)對(duì)軸向縮短量影響程度的大小依次為：二級(jí)摩擦位移、二級(jí)摩擦壓力、一級(jí)摩擦壓力、一級(jí)摩擦位移。

2)焊件焊接接頭飛邊均勻且達(dá)到正火態(tài)，得到了細(xì)小的鐵素體與珠光體相互融合的優(yōu)良組織，不同焊接工藝參數(shù)組合方式對(duì)焊件接頭晶粒存在一定影響并直接影響焊件接頭硬度。

由焊件接頭熱機(jī)影響區(qū)及焊縫處得顯微硬度的變化曲線可以得出，各焊件焊縫的顯微硬度值明顯高于母材，35#鋼具有良好的摩擦焊接特性。