(南昌航空大學(xué) 焊接工程系,南昌 330063)
國(guó)內(nèi)汽車(chē)輪輞主要采用閃光對(duì)焊進(jìn)行焊接加工,閃光對(duì)焊在焊接鋼板時(shí),熔合區(qū)容易產(chǎn)生魏氏體組織,并且會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)未熔合等缺陷[1—3]。這些問(wèn)題會(huì)造成輪輞在后續(xù)的擴(kuò)口、滾型、擴(kuò)張等工序中產(chǎn)生裂紋,致使輪輞報(bào)廢,增加了汽車(chē)輪輞用鋼的浪費(fèi)以及加工制造成本[4—5]。江鈴汽車(chē)輪輞采用閃光對(duì)焊技術(shù),發(fā)現(xiàn)一次焊接合格率較低,研究發(fā)現(xiàn)失效輪輞中裂紋一般出現(xiàn)在閃光對(duì)焊的焊縫及焊縫周?chē)鶾6]。攪拌摩擦焊技術(shù)(Friction stir welding,FSW)是英國(guó)焊接研究所(TWI)于 1991年發(fā)明的一項(xiàng)新型固相連接技術(shù)[7],具有能一次完成較長(zhǎng)焊縫、功效高、能耗低、焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織變化小、焊接工件不易變形、殘余應(yīng)力比較低、不需要添加焊絲等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[8—9]。閃光對(duì)焊焊接工藝與攪拌摩擦焊焊接工藝相比,閃光對(duì)焊焊接工藝能源利用率較低[10],并且對(duì)環(huán)境有一定污染,而攪拌摩擦焊焊接工藝無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射,且能源利用率較高,能彌補(bǔ)閃光對(duì)焊焊接工藝的不足,實(shí)現(xiàn)綠色工業(yè)具有潛在價(jià)值[11—12]。近年來(lái),F(xiàn)SW在鋁、鎂及其合金等有色輕金屬的焊接加工中有了成熟的應(yīng)用,對(duì)于鋼的攪拌摩擦焊有一定的研究基礎(chǔ)[13—16]。文中探索研究江鈴汽車(chē)鋼圈輪輞鋼 B380CL攪拌摩擦焊的可能性,為后續(xù)攪拌摩擦焊在鋼圈輪輞的焊接推廣提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)材料為江鈴提供的汽車(chē)輪輞用鋼,牌號(hào)為B380CL(寶鋼汽車(chē)車(chē)輪用熱軋板),企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為Q-BQB 310—2009汽車(chē)結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶,符合汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YBT 4151—2006汽車(chē)車(chē)輪用熱軋板和鋼帶。試驗(yàn)材料尺寸為215 mm×70 mm×4.5 mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。
試驗(yàn)設(shè)備采用X53K銑床改造的攪拌摩擦焊機(jī),具有易于操作、可控性好、焊接精度高等優(yōu)點(diǎn)。B380CL具有較高的強(qiáng)度和硬度,為了保護(hù)攪拌針,焊前在試樣起焊位置開(kāi)設(shè)預(yù)置通孔。用丙酮清洗機(jī)械加工完畢的待焊工件,晾干備用。根據(jù)板厚度為4.5 mm,攪拌針長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.0 mm,錐臺(tái)螺紋,材料選用鎢錸合金,具有良好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性。攪拌頭形貌及尺寸見(jiàn)圖1,軸肩直徑為 16 mm,軸肩深度為0.8 mm,攪拌頭根部直徑為5 mm,端部直徑為7 mm。
表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of test material(mass fraction) %
圖1 攪拌頭形狀及尺寸Fig.1 Shape and the size of tool
采用氬氣氛圍保護(hù)裝置,設(shè)定攪拌頭傾斜角度為2°,下壓量為 0.2 mm。根據(jù)王希靖[17]等的研究,選用YG8硬質(zhì)合金作為攪拌頭材料進(jìn)行Q235低碳鋼的攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù),因此,采用鎢錸合金攪拌頭,參照表2焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)焊接試驗(yàn)。
在旋轉(zhuǎn)速度為 900 r/min,焊接速度v1=37 mm/min,v2=47.5 mm/min,v3=60 mm/min的條件下獲得不同的焊接接頭,沿橫截面截取試樣,試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、微觀金相組織分析、硬度測(cè)試。采用金相顯微鏡觀察、分析和研究金屬材料的金相顯微組織,步驟為鑲樣、打磨拋光、腐蝕、觀察,按照HNO3∶CH3CH2OH=4∶96的體積比制備腐蝕液,擦拭4 s。采用401MVD數(shù)量顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫顯微硬度的分布。顯微硬度計(jì)參數(shù):加載載荷為300 N,加壓時(shí)間為 10 s,測(cè)量間距為 0.5 mm。在WDW-500型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試焊接接頭的強(qiáng)度。
表2 焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters
攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min時(shí),焊接速度分別為v1=37 mm/min,v2=47.5 mm/min,v3=60 mm/min的焊縫見(jiàn)圖2,宏觀焊縫見(jiàn)圖2a,可以得知不同焊接速度均能獲得焊接接頭,當(dāng)焊接速度為v2=47.5 mm/min時(shí),獲得的焊縫宏觀成形較好,月牙形更細(xì)膩均勻。
攪拌摩擦產(chǎn)生大量熱,軸肩下金屬塑化,隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)攪拌作用,兩邊金屬在塑性狀態(tài)下產(chǎn)生結(jié)合。焊接速度為37.5 mm/min時(shí)較低,產(chǎn)生的熱量較大,根據(jù)圖2a中v1所示形貌推測(cè),金屬與攪拌針之間產(chǎn)生粘著摩擦,焊縫成形比較生硬、粗糙。如圖2a中v2所示,焊接速度v2=47.5 mm/min,產(chǎn)生的熱量降低,塑性金屬與攪拌針之間由粘著摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦,焊縫成形良好,且月牙紋清晰細(xì)膩均勻。焊接速度增加到v3=60 mm/min,如圖2a中v3所示,攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度不變,焊接速度增大,實(shí)質(zhì)上是減小能量輸入,雖然這段焊縫前部分成形較好,但由于后續(xù)熱量輸入不足以讓金屬塑化,攪拌針前進(jìn)受到巨大阻力,致使攪拌針不足以承受強(qiáng)大阻力而斷裂,并且此段焊縫成形明顯較差。
攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min,焊接速度分別為v1=37.5 mm/min,v2=47.5 mm/min,v3=60 mm/min 時(shí)獲得FSW接頭,采用X-Ray無(wú)損探傷,探傷結(jié)果見(jiàn)圖2b。焊接速度為v1=37.5 mm/min,v2=47.5 mm/min時(shí),焊縫明顯無(wú)缺陷。X-Ray無(wú)損探傷結(jié)果顯示,攪拌針行走路徑邊緣與前進(jìn)邊和返回邊邊緣有微亮的痕跡。對(duì)比v1=37 mm/min,v2=47.5 mm/min焊接速度下的焊縫X-Ray結(jié)果,發(fā)現(xiàn)v2=47.5 mm/min的焊縫比v1=37.5 mm/min的焊縫亮,v1=37.5 mm/min的焊接接頭明顯比v2=47.5 mm/min的焊接接頭暗,v2=47.5 mm/min的攪拌針行走的路徑亮且均勻。
圖2 接頭宏觀形貌及X-Ray探傷結(jié)果Fig.2 Macro-structure and result of X-Ray inspection of joint
江鈴汽車(chē)V362鋼圈輪輞用鋼B380CL鋼板焊前微觀組織見(jiàn)圖3a,為試樣沿平行于軋制方向的微觀組織。B380CL鋼為亞共析鋼,金相組織主要由鐵素體和細(xì)小的粒狀珠光體組成,鐵素體呈等軸晶分布,顆粒狀珠光體彌散分布在粗大的鐵素體晶粒中。
攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min,焊接速度v1=37.5 mm/min時(shí)獲得的接頭微觀組織見(jiàn)圖3b—d,其中,圖3b為接頭熱力影響區(qū)微觀組織,與圖3a相比,微觀組織呈等軸晶狀態(tài),而母材區(qū)晶粒較粗、較長(zhǎng)。從圖3b可以看出,晶粒較細(xì)小,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是攪拌摩擦焊的熱量對(duì)靠近母材側(cè)極窄的區(qū)域內(nèi)晶粒造成影響,該影響類(lèi)似熱處理中的正火對(duì)晶粒的影響。
攪拌摩擦焊的熱影響區(qū)較明顯,如圖3c所示,隨著溫度梯度的變化,在溫度較高的位置,晶粒明顯粗化長(zhǎng)大;而溫度較低的位置,晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大粗化,而保持原來(lái)形態(tài)。粗大組織由塊狀鐵素體和片狀鐵素體交織分布,并且中間夾雜著片狀珠光體。焊核區(qū)集中FSW極大部分熱量,并且旋轉(zhuǎn)的攪拌針對(duì)組織有一定的攪拌作用,晶粒的形狀不規(guī)則,且較粗大。
攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950 r/min,焊接速度v2=47.5 mm/min時(shí)獲得的接頭微觀組織見(jiàn)圖4。其中,圖4a為母材組織,圖4b為熱力影響區(qū)微觀組織,沿垂直母材軋制方向,圖4c為熱影響區(qū),熱影響區(qū)組織較熱力影響區(qū)組織粗大,以塊狀鐵素體與少量珠光體組織構(gòu)成,對(duì)比v1速度下的焊接熱影響區(qū)可明顯發(fā)現(xiàn),v2速度下的焊接熱影響區(qū)組織較細(xì)小、較均勻。比較焊核區(qū)組織,v1與v2下的組織相差不大,晶粒的形狀不規(guī)則,較粗大。圖4a中母材區(qū)晶粒呈細(xì)小等軸晶,黑色珠光體顆粒彌散分布其中,而隨著溫度梯度的增加,組織逐漸變粗大,如圖4c中熱影響區(qū)所示,越靠近焊核區(qū),晶粒粗化越嚴(yán)重。
JMCV362鋼圈輪輞用鋼為B380CL(熱軋板),采用WDW-50微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì) 3個(gè)原材料試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。鋼B380CL具有較好的塑性,拉伸伸長(zhǎng)明顯,具有顯著的屈服現(xiàn)象,母材試樣1#,2#,3#的加載載荷峰值分別為11.31,11.39,11.45 kN,經(jīng)計(jì)算,試樣 1#,2#,3#的抗拉強(qiáng)度為 377,379,381.7 MPa,平均抗拉強(qiáng)度為379 MPa。與廠商提供的抗拉強(qiáng)度380 MPa級(jí)參數(shù)相比,差別很小。
圖3 v1微觀組織Fig.3 Micro-structure ofv1
圖4 v2微觀組織Fig.4 Micro-structure ofv2
與母材試樣抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比的是經(jīng)攪拌摩擦焊焊接接頭試樣。在焊接參數(shù)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min,焊接速度v1=37.5 mm/min,v2=47.5 mm/min條件下,對(duì)獲得的FSW焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試樣尺寸按照原材料拉伸試樣尺寸,為避免出現(xiàn)偶然誤差,每組焊接參數(shù)焊接的接頭加工3個(gè)試樣,分別將焊接速度v1=37.5 mm/min的焊接接頭拉伸試樣記為 A組,編號(hào)為 A1,A2,A3;焊接速度v2=47.5 mm/min的焊接接頭拉伸試樣記為B組,編號(hào)為B1,B2,B3,然后進(jìn)行拉伸。
采用引伸計(jì)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行精準(zhǔn)記錄。試樣拉伸斷裂后的試樣宏觀對(duì)比見(jiàn)圖5,其中A組試樣斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū),B組試樣斷裂均發(fā)生在母材,并且 B組試樣的伸長(zhǎng)率均大于A組試樣。從圖5的試樣拉伸載荷-位移曲線可以看出,A,B兩組試樣均有顯著的屈服現(xiàn)象,且兩組試樣的屈服現(xiàn)象均產(chǎn)生于加載8.5 kN左右,A組試樣加載峰值達(dá)到 10.2 kN,抗拉強(qiáng)度為340 MPa,達(dá)到母材的89.5%,B組試樣加載峰值達(dá)到11.42 kN,抗拉強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度;而A組試樣的形變?yōu)?.97,3.72,3.82 mm,平均伸長(zhǎng)率為7.7%;B組試樣的形變?yōu)?.04,7.85,7.02 mm,平均伸長(zhǎng)率為15.3%。B組試樣平均伸長(zhǎng)率接近A組試樣的2倍。
圖5 接頭載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of joint
在攪拌頭轉(zhuǎn)速不變的情況下,焊接速度的變化實(shí)質(zhì)上是能量的改變。A,B兩組試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的差異是由于焊接速度的改變導(dǎo)致焊接的能量改變,進(jìn)而產(chǎn)生接頭性能的差異。A組焊接速度v1=37.5 mm/min,低于B組焊接速度v2=47.5 mm/min,A組的熱量輸入大于B組的熱量輸入,焊縫金屬溫度A組顯然高于B組,在冷卻過(guò)程中,A組更加容易形成粗大組織導(dǎo)致組織變脆,致使焊縫抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率降低。
在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min,焊接速度v1=37.5 mm/min的條件下進(jìn)行焊縫組織硬度試驗(yàn),結(jié)果表明焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的硬度分別在HV145,HV129,HV130左右,硬度分布見(jiàn)圖6。熱力影響區(qū)組織的硬度較母材高,與其晶粒細(xì)小、均勻有關(guān)。而焊接速度v2=47.5 mm/min時(shí),焊縫組織硬度試驗(yàn)表明,焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的硬度分別在HV155,HV145,HV130左右。明顯看出,v1焊接接頭各區(qū)域組織的硬度都比v2焊接接頭低。兩個(gè)不同焊接速度下的接頭組織硬度有一定差異,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因跟熱輸入有關(guān)。當(dāng)焊接速度v2=47.5 mm/min時(shí),熱影響區(qū)組織粗化沒(méi)有v1的熱影響區(qū)粗化明顯,故組織硬度較高。
圖6 硬度分布Fig.6 Hardness distribution
1)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min,焊接速度v1=37.5 mm/min,v2=47.5 mm/min,v2=60 mm/min時(shí),均能形成焊接接頭,其中焊接速度v2=47.5 mm/min為較佳焊接參數(shù)。
2)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為 950 r/min,焊接速度為v2=47.5 mm/min時(shí),能獲得宏觀成形良好的焊縫,微觀組織為鐵素體和珠光體,經(jīng)X-Ray探傷檢測(cè)無(wú)缺陷。
3)焊接接頭力學(xué)性能與熱量輸入有關(guān)。焊接速度v2=47.5 mm/min獲得接頭的抗拉強(qiáng)度超過(guò)母材,伸長(zhǎng)率較高,達(dá)到母材的15.3%,但接頭微觀組織硬度較高。