高思遠，趙旭東，李衛(wèi)民

(1.錦州師范高等專科學校機械電子工程系，遼寧 錦州 121001; 2.遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，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特的優(yōu)勢[2]。張會[3]對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)動摩擦焊接過程為例，探究了摩擦壓力、摩擦時間、頂鍛壓力與保壓時間四個工藝參數(shù)對焊接抗拉強度的影響。朱海[5]研究了二級摩擦壓力、二級摩擦位移以及頂鍛壓力三者聯(lián)合作用對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性能及焊接組織觀察方面。在對軸向縮短量的研究中而忽略了在多級加壓方式下一、二級摩擦壓力與位移四個參數(shù)聯(lián)合完成焊接對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)動摩擦焊接原理，采用正交試驗的方法探究中等直徑焊件多級加壓方式下對軸向縮短量的影響規(guī)律，并對焊接接頭組織進行了相關(guān)分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設(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，鐵素體在光學顯微鏡下通常為多邊形顆粒，具有較低硬度，但塑性相對優(yōu)良，相同腐蝕時間內(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)，隨著奧氏體過冷度增大片層也逐漸變得細密，同時硬度也隨之增高，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)動摩擦焊機，焊機噸位為14t。對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行觀察，在距離焊件焊縫兩側(cè)5mm處進行切割處理，并采用線切割技術(shù)沿其縱軸線剖開進行顯微組織觀察。對焊件進行顯微硬度測試時采用DHV-1000AV型數(shù)顯顯微硬度計進行數(shù)據(jù)采集，在測試時選用加載載荷為0.2kgf，加載時間為10s。

圖1 母材顯微組織

圖2 焊件接頭宏觀形貌

1.2 焊件加工與試驗方法

母材選用直徑為20-10mm的空心桿件，旋轉(zhuǎn)端焊件長度為100mm，移動端焊件長度為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。在對焊件加工上采用多級加壓方式完成試件的焊接，研究因素主要為：一級摩擦壓力、一級摩擦位移、二級摩擦壓力、二級摩擦位移四個工藝參數(shù)。進行9組四因素三水平正交實驗，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摩擦壓力值的2倍，頂鍛保壓時間均為5s。

表1 正交因素水平表

2 試驗結(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的工控機中完成焊接，對焊件軸向長度進行測量后進行記錄，正交實驗方案及軸向縮短量結(jié)果，如表2所示。各因素對焊件軸向縮短量影響的極差分析結(jié)果，如表3所示。

表2 正交實驗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，通過比較各極差數(shù)值不難看出二級摩擦位移對于焊件軸向縮短量的影響最大，當活塞桿成品對軸向長度公差控制較嚴時應(yīng)慎重選取這一加工參數(shù)。同時對軸向縮短量的影響二級摩擦壓力次之，一級摩擦位移對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)呈對稱分布且飛邊飽滿，證明塑性金屬層金屬流動充分，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號焊件接頭為例對焊件接頭組織進行討論。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小的珠光體和鐵素體，相當于熱處理時的正火組織，在此區(qū)域內(nèi)材料的塑性和韌性均得到了有效提升，得到了較為細小的等軸無畸變晶粒[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化，獲得了細小的鐵素體與珠光體相互融合的優(yōu)良組織。

圖4 焊件熱機影響區(qū)及焊縫處得顯微硬度變化規(guī)律

圖5 3號焊件顯微組織

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，同時在該區(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，在遠離焊縫一側(cè)仍會存在一定數(shù)量的粗大晶粒，所以這一區(qū)域機械性能亦不均勻，熱影響區(qū)硬度值應(yīng)比焊縫處硬度值低。

3.3 焊件顯微硬度測試

在對焊件進行顯微硬度測試時，為使測量結(jié)果更加準確在對母材進行顯微硬度測試時，選擇了3個不同焊件并取樣3次進行母材顯微硬度測試，將9個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。所測得的熱機影響區(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號焊件及8號焊件焊縫處具有較高的顯微硬度，6號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號焊件具有相對較高的摩擦壓力，8號焊件二級摩擦位移值較大，即摩擦產(chǎn)熱時間相對較長，由此可見適當選用較高壓力或較長摩擦時間有利于獲得高強度的焊件接頭。而6號焊件摩擦位移及摩擦壓力相對較小，相比于其余焊件晶粒出現(xiàn)的變形和破碎程度不大。

相對于熱機影響區(qū)顯微硬度具有較大波動，3號焊件熱機影響區(qū)顯微硬度值最高，3號焊件的熱影響區(qū)組織如圖5所示，5號焊件熱影響區(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號焊件二級摩擦壓力高且摩擦位移大，由于摩擦時間長焊件接頭溫度由焊縫向熱機影響區(qū)發(fā)生的熱傳遞充分，滿足了焊件達到正火態(tài)時的溫度，而5號焊件由于摩擦位移較短，相較于焊件3焊接時間較短導(dǎo)致焊件接頭發(fā)生熱傳遞不充分，未達到正火態(tài)溫度，從而導(dǎo)致熱機影響區(qū)內(nèi)部組織并不均勻，組織沒有得到有效細化，存在一定數(shù)量的粗大晶粒，5號焊件熱機影響區(qū)的顯微組織圖印證了這一特點。

4 結(jié) 論

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

2)焊件焊接接頭飛邊均勻且達到正火態(tài)，得到了細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。