摩擦焊作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术,在轻量化、长寿命、高可靠及低成本的装备制造中具有独特优势^[1-3]。由于其不需要熔化金属,可以有效减小熔焊过程中的晶粒粗化、蠕变失效以及热影响区失效等缺陷^[4]。旋转摩擦焊过程通常可按扭矩分为摩擦加热、稳态和顶锻三个阶段^[5-7]。焊接过程中界面金属在压力和相对旋转作用下被挤出形成飞边,接头最终在顶锻压力作用下成形,焊缝金属经过锻造,形成晶粒细小、组织致密的接头。摩擦时间影响界面塑性金属的形成,顶锻压力决定着塑性金属的压力成形,两者对最终焊接质量有着至关重要的影响。刘占军等^[8]研究了摩擦和顶锻过程中界面金属向外流动速度变化,姬书得等^[9]研究了顶锻压力对飞边大小的影响,但其都未曾涉及接头焊合情况和性能。杨明鄂^[10]通过对活塞杆摩擦焊工艺的研究,得出了焊接质量的影响因素为顶锻保压时间、顶锻压力、主摩擦压力和摩擦时间;王毅^[11]研究了包含顶锻压力在内的众多焊接参数对焊接质量的影响,但其都将顶锻压力、摩擦压力和摩擦时间等做了正交化处理,不能直观的表明摩擦时间和顶锻压力对接头成形的影响。Ates等^[12]研究了高温合金摩擦焊中顶锻压力对接头拉伸强度的影响,但没有说明焊合率的变化规律。以上相关研究均没有涉及到旋转摩擦焊接头焊合机理及焊接参数对焊合率的影响。因此,有必要以焊接质量为最终目标,分析接头焊合机理并研究焊接参数对焊合率、接头形貌及力学性能等的影响规律,为工程应用提供理论支撑。

1 实验方法

实验材料为市售直径14 mm的Q235棒材,其化学成分如表1所示。旋转端和固定端长度分别为80 mm和130 mm。实验所用焊接设备为C40型摩擦焊机,转速为1900 r/min,最大顶锻压力为40 kN。焊接过程中使用德国Infra Tec公司VarioCAM® hr head(VH)系列专业级红外热像仪对焊接过程接头温度进行测量。

实验采用的工艺参数如表2所示,保持摩擦压力(P₁)和转速(1900 r/min)不变,分别改变顶锻压力(P₂)、摩擦时间(t₁)和顶锻时间(t₂),分组进行焊接。焊后,对试样焊合率、组织结构和拉伸性能等进行测试分析。拉伸试样尺寸参照GB T228.1-2010,具体尺寸如图1所示。拉伸试验在Instron3382型电子万能材料试验机上以2 mm/min的加载速率进行。

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图1   拉伸试样尺寸示意图

Fig.1   Structure of the tensile test specimens (mm)

2 结果与讨论

2.1 顶锻压力对接头焊合情况的影响

图2为不同顶锻压力下接头外观形貌,采用的顶锻压力P₂分别为44 MPa、88 MPa、132 MPa、220 MPa,其他焊接参数(P₁=44 MPa,t₁=2 s,t₂=5 s)保持不变。对应的焊合率(R)和轴向缩短量(L)如图3所示,其中实线代表焊合率,虚线代表轴向缩短量。随着顶锻压力的增大,距离界面较远、温度较低、塑性变形能力较差的金属也被挤出,轴向缩短量增加,相应的飞边尺寸增大。但当顶锻压力P₂超过132 MPa后,轴向缩短量增加趋缓。这是因为压力增大到一定程度后,界面绝大部分塑性金属被挤出,此时再增大顶锻压力已经不能再挤出更多金属,轴向缩短量增加减缓。这可以理解为焊接接头对压力的一种“适应”行为,即飞边金属挤出量不可能随着顶锻压力的增大无限增多。

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图2   不同顶锻压力下飞边形貌

Fig.2   Photos of the joints welded at different forging pressure of (a) 44 MPa, (b) 88 MPa, (c) 132 MPa and (d) 220 MPa

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图3   接头焊合率和轴向缩短量随顶锻压力的变化

Fig.3   The bonding ratio and axial shortening as functions of forging pressure

焊合率也随着顶锻压力的增大而增大,且增大趋势逐渐减缓。摩擦焊过程中顶锻阶段之前界面高温塑性金属以较高的速度进行塑性流动,界面中有可能存在气孔、氧化物和夹杂等缺陷。增大顶锻压力在将更多的塑性金属从界面挤出的同时,也将这些杂质和气孔挤出,取而代之的是距离界面一定距离的新鲜金属,在顶锻压力下这些金属将形成结合紧密的焊接接头,焊合率增大。当顶锻压力达到132 MPa以上时,焊合率达到100%,此时焊合率对顶锻压力将不再敏感。由此推断,对于其他金属材料,也会存在类似的临界压力,当压力超过临界压力时,焊合率将不再受控于顶锻压力。摩擦焊顶锻阶段相当于对界面塑性金属进行墩粗,图4为界面塑性金属受力分析示意图,其中平面ABC为焊接界面,图中基元平衡方程的简化形式为^[13]

σθhdr-2τrdr-σrhdr-rhdσr=0(1)

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图4   顶锻阶段接头受力分析示意图

Fig.4   Mechanics analysis of the joint at forging stage

高度h等于界面两边塑性区宽度之和,d为试样直径。解方程可得轴向所需临界压力为

σ=σs1+d6h(2)

实验中焊合率恰好达到100%时的顶锻压力为132 MPa,h≈10 mm,直径d=14 mm。根据红外测温可得塑性区边缘温度大约为650℃,实验材料Q235在此温度下的屈服强度为σ_s=110 MPa,此时需要的临界轴向力为135 MPa,近似等于试验中焊合率达到100%时的132 MPa。事实上,由于顶锻过程中塑性区温度不均匀,各点屈服强度差异较大,计算结果会比实际需要的顶锻压力偏大。也可以简单的认为,顶锻压力至少应该大于塑性区温度最低处(弹塑性界面)金属的屈服强度(实验中为110 MPa),整个塑性区的金属才能得到充分的塑性变形与流动,当界面前沿金属被挤出界面时,后续金属可以很好的填充界面金属被挤出时留下的孔洞,焊合率增大。

本实验所设置的保压时间范围内接头轴向缩短量和焊合率差别不大,也就是说此压力范围内保压时间对焊接接头的成形基本没有影响。

2.2 摩擦时间对接头焊合情况的影响

分别取摩擦压力P₁为44 MPa和88 MPa进行实验,观察不同时间下界面演变规律。图5a所示为P₁为44 MPa,t₁分别为0.5 s、1 s、2 s和4 s,图5b为P₁为88 MPa,t₁分别为0.3 s、1 s和2 s时的接头形貌,具体实验参数如表2第所示。对应接头焊合率和轴向缩短量的变化趋势如图6所示,实心符号代表摩擦压力44 MPa,空心符号代表88 MPa。其中方形代表焊合率,圆圈代表轴向缩短量,三角代表飞边宽度。

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图5   不同摩擦压力焊缝形貌随时间的演变

Fig.5   Morphological evolvement of the joint with friction pressure as (a) 44 MPa and (b) 88 MPa

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图6   焊合率、轴向缩短量和飞边宽度随摩擦时间的变化

Fig.6   The bonding ratio, axial shortening and flash width as functions of friction time

可以看出,不同摩擦压力P₁下的焊合率R,轴向缩短量L和飞边宽度W随时间变化趋势相同,焊合率随摩擦时间的增加而减小,轴向缩短和飞边宽度随摩擦时间增加而增大,且88 MPa时轴向缩短量和飞边宽度随时间变化比44 MPa时明显加快。

下面以P₁为44 MPa为主,具体分析界面状态随摩擦时间的演变规律。焊接过程中随着摩擦时间的增加,输入界面能量增多,界面产生更多的塑性金属,在顶锻压力的作用下,塑性金属被挤出,同时产生轴向缩短。轴向缩短量与摩擦时间t₁基本符合一阶函数关系,此结果与Li等^[14]通过数值模拟得出的结果基本一致。将轴向缩短量L和摩擦时间t₁进行拟合,得

L=3t1-1(3)

从式(3)中可知,只有当摩擦时间t₁超过0.33 s,界面金属才会发生塑性流动进而挤出飞边、产生轴向缩短,而产生塑性流动正是原始焊接界面消失的标志,由此推断焊接所需最短时间为0.33 s。然而,与人们直观感觉不同的是,随着摩擦时间的增加,焊合率不升反降,如图6中实线所示。事实上顶锻阶段接头塑性金属首先在最大剪切力的方向上发生流动,这个方向并不平行于试样轴线。图7为顶锻阶段塑性金属流动方向示意图,从图7a可得与试样轴线成α角的斜截面上的切应力τ_α为

τα=pαsinα=σcosαsinα=σsin2α/2(4)

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图7   顶锻阶段塑性金属流动方向示意图

Fig.7   Schematic showing metal flow direction at forging stage with (a) analysis of the maximum shear stress and (b) flow direction

当α=45°时,τ_α达到最大值σ/2,可见,在与轴线成45°的斜截面上切应力值最大,这也是一般压缩断裂时断裂面与轴线成45°的原因。由此推断,摩擦焊顶锻时界面塑性金属优先沿与轴线成45°的方向上发生流动。图7b为界面金属流动方向示意图,在顶锻压力作用下AD线以外的ABC区域内的金属将被直接挤出界面外,起不到对界面的金属补充作用,导致界面出现孔洞等缺陷。摩擦时间增长时,塑性区的宽度增大,区域ABC将扩大至AB'C',被直接挤出界面外的金属量增加,界面的金属补充更加不充分,焊合率减小。因此在焊接时,当塑性区扩展到整个界面以后应尽量缩短摩擦时间,这不仅能防止焊合率减小,同时可以提高焊接生产效率。

2.3 接头组织的演变

图8为焊接参数P₁=44 MPa时接头温度和微观组织随摩擦时间的演变规律。图8a纵坐标表示焊接界面温度,横坐标表示距离界面的轴向距离,图中实线、虚线和点画线分别代表焊接时间为0.5 s、2 s和4 s时的温度曲线。图8b为对应时刻焊缝沿轴向的组织分布。

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图8   接头温度和微观组织随时间的演变规律

Fig.8   The evolution of temperature and microstructure with time (a) temperature, (b) microstructure

焊接过程中界面最高温度在1100℃左右,超过奥氏体转变温度。焊接开始后,焊接界面温度逐渐升高,达到奥氏体转变温度后开始发生奥氏体转变。随着焊接时间的增加,焊接界面附近温度升高,且高温区宽度增加,这将导致焊缝及附近的奥氏体晶粒不断长大。奥氏体晶粒的大小会影响到冷却后珠光体晶粒的大小,当摩擦时间过长时,粗大的奥氏体在焊接结束后的冷却时进行珠光体转变,形成的珠光体也相对粗大,甚至有可能形成魏氏体。因此,在保证界面金属发生充分塑性变形的基础上,焊接时间不宜过长。距离焊缝距离增加,温度降低,组织转变过程不充分,奥氏体转变过程中铁素体没有完全溶解,这部分铁素体最终保留下来,其中发生转变的奥氏体冷却成为细小的铁素体加珠光体组织,最终形成粗大未溶铁素体和细小铁素体加珠光体的不均匀组织。

2.4 接头力学性能

图9所示为焊接参数P₁=44 MPa,t₁=2 s,P₂=44 MPa,t₂=5 s时的拉伸断口,其焊合率是实验中所有参数下最小的(45%)。断口处有明显的未焊合缺陷,这是因为其顶锻压力太小,塑形金属挤出不够充分,焊合率低。拉伸时断裂在界面处,拉伸强度和伸长率明显小于其他接头。

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图9   含有未焊合接头断口

Fig.9   Fracture surface of the joint with unbonding

除了图9所示试样外,其余所有参数下的焊合直径都大于8 mm,而拉伸试样的直径仅为7 mm,制取拉伸试样时所有未焊合部位都将被加工去除,制取的拉伸样都处于焊缝完全焊合的区域。图10为焊接参数为P₁=44 MPa,t₁=0.5 s,P₂=88 MPa,t₂=5 s,焊合率为100%时拉伸试样拉伸前后对比,断裂发生在母材上,说明接头强度大于或等于母材,这是因为接头焊接过程中相当于经历了一次正火,且在顶锻压力下成形,晶粒细小,力学性能良好。事实上除了图9试样外,所有拉伸试样的断裂都发生在母材上,拉伸强度和延伸率相差不大。这就意味所有试样已焊合区域的强度基本相等,实验焊接参数范围内对焊合区强度产生影响较小,其主要影响的是接头整体的焊合率。这一点是非常重要的,说明针对实验材料Q235,摩擦焊中调节焊接参数的主要目标应该集中在提高接头焊合率上,焊合率提高,接头有效承载面积增大,所能承受的载荷必然增大,只要焊合率达到或接近100%,即原始界面全部位置焊合,就能获得整体强度大于或等于母材的焊接接头。

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图10   拉伸试样断裂前后比较图

Fig.10   Tensile test specimen

3 结论

(1) 提出了将接头焊合率作为焊接质量的评价标准。针对实验材料Q235钢,不同的焊接参数下接头焊合区域的强度基本相同,且均大于或等于母材强度,对接头质量影响最大的因素为接头焊合率。

(2) 获得了顶锻压力和摩擦时间对接头成形的影响规律并得到了焊合率达到100%所需要的临界压力的计算方法。其他参数不变的情况下,焊合率随顶锻压力的增大而增大,最终趋于100%。焊合率随摩擦时间增长而减小,说明在保证塑性区扩展到整个界面的前提下,摩擦时间越短,焊合率越高。

(3) 分析了摩擦焊过程中焊缝组织的变化过程。随着焊接时间的增加,焊接界面温度升高,焊缝区各组织区域宽度变宽,晶粒尺寸增大。近缝区组织呈流线状,晶粒大小不均匀,为细小铁素体加珠光体和未溶粗大铁素体。

The authors have declared that no competing interests exist.