超高强度钢35CrMnSi 惯性摩擦焊接头组织与性能

时间：2024-07-28

戴明辉，代野，陈大军，李忠盛，吴护林

(西南技术工程研究所，重庆400039)

0 前言

35CrMnSi钢是一种低合金高强度钢，属于中碳调质钢，热处理后的35CrMnSi钢可以获得良好的综合力学性能，在保证较高强度的同时保有足够的韧性，因此，主要用于制造中速、重载、高强度的零件及高强度构件，如飞机起落架、机翼大梁等航空受力结构件，还作为战斗部壳体材料［1－3］。惯性摩擦焊具有接头质量好、适用范围广、焊件尺寸精度高、可靠性好的优点，可有效实现超高强度钢的高强连接［4－6］。

为此用惯性轴向摩擦焊技术对35CrMnSi钢管进行了工艺试验，分析其焊接接头组织与力学性能，为其实际应用提供理论依据。

1 试验材料与方法

试验所用35CrMnSi钢管为热锻退火态，其化学成分见表1。待焊件为机械加工后的钢管，外径 Φ157 mm，壁厚10 mm，长300 mm。

试验采用的焊机为大功率特种惯性摩擦焊机(型号CT-130)，焊接工艺参数见表2，进行了35CrMnSi钢管的惯性摩擦焊试验。焊前需对待焊接面进行去油污/氧化皮处理，焊接过程采用二级加压，即主轴转速上升到一定转速后，施加一级摩擦压力，焊接界面接触并摩擦温升，处于高温塑性状态。当主轴转速降低到一定值后，施加二级顶锻压力至转速下降为0，并持续保压一段时间，其中摩擦压力与顶锻压力均为焊机表压。

表1 35CrMnSi钢的主要化学成分(质量分数，%)

表2 焊接工艺参数

使用线切割从焊件上切取焊接接头试样，金相试样采用4%硝酸酒精溶液腐蚀;按照 GB/T 228．1—2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》标准进行拉伸试样的线切割;按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准加工冲击试样;利用ZEISS Observer A1m光学显微镜分析结合界面微观结构与组织形态;利用HM-MT1000显微硬度测试仪测试结合面的显微硬度;在MTS-880万能材料试验机上测试焊接接头力学性能;利用Hitachix-650扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌;在夏比摆锤冲击试验机上测试接头冲击吸收能量。

2 试验结果与分析

2．1 焊接接头显微组织分析

摩擦焊后35CrMnSi钢管轴向烧损量为13．84 mm，焊后照片如图1a所示。图1b为摩擦焊接头宏观照片，焊接接头处无气孔、裂纹等焊接缺陷，焊接质量良好。内外焊缝的飞边均匀，卷曲充分，可以初步判断出焊接试验效果较好。

图1 35CrMnSi钢管惯性轴向摩擦焊焊接试样

图2 35CrMnSi钢管惯性轴向摩擦焊焊接接头微观组织形貌

惯性轴向摩擦焊焊接接头一般由焊缝区、热力影响区和母材区组成。35CrMnSi钢管惯性轴向摩擦焊接头组织如图2所示，图2a为摩擦焊接头组织，可以明显看出焊缝区、热力影响区与母材区组织的区别。图2b为焊缝区组织，主要为板条马氏体，并有少量残余奥氏体，这是因为惯性轴向摩擦焊过程中，焊缝中心温度快速升高，达到1 100℃左右;而对于35CrMnSi钢这种材料，其临界温度AC3为880℃左右。焊缝中心组织完全奥氏体化后，奥氏体晶粒长大速度很快，然而随着飞轮转速下降，焊缝热量沿钢管轴向传热，焊缝在高温停留时间很短，随后快速冷却，奥氏体组织过冷后形成了板条马氏体组织，但仍有少数奥氏体由于来不及转变而残留下来，从而形成了板条马氏体+少量残余奥氏体的组织。图2c为热力影响区组织，主要为细小的马氏体、索氏体、珠光体与铁素体，晶粒尺寸比焊缝与母材更加细小，这是因为热力影响区组织在焊缝区金属高温传热与轴向压力作用下，晶粒破碎，并呈现出一定的流线;图2d为母材组织，由粒状珠光体与网状铁素体组成。

对焊后试样进行淬火加热温度为900℃，进行油冷1 h的淬火处理。随后加热至230℃，进行2 h空冷的回火处理，热处理后摩擦焊接头组织分布均匀，接头组织分区现象完全消失。图3为热处理后的焊接接头组织，主要为回火马氏体。

图3 热处理后35CrMnSi钢管惯性轴向摩擦焊接头微观组织形貌

2．2 焊接接头显微硬度

图4 为35CrMnSi钢管惯性轴向摩擦焊接头的显微硬度分布，硬度测试位置为金相试样宽度方向中心位置。由图4可知，距离焊缝中心±1 mm的范围内(即焊缝区)显微硬度约为590 HV0．3。热力影响区的显微硬度随着距焊缝中心距离的增大而逐渐降低，其单边宽度约1．5 mm。在距焊缝中心2 mm左右处即为母材显微硬度，约230 HV0．3。焊接接头硬度测试结果与焊缝区、热力影响区、母材的显微组织相吻合，即焊缝区的马氏体硬度最高、热力影响区的混合组织次之，母材的珠光体最低。热处理后，焊接接头与母材显微硬度均在490～500 HV0．3之间。

图4 焊接接头显微硬度

2．3 焊接接头力学性能与断口形貌

对摩擦焊接头取圆形标准拉伸试样进行拉伸性能检测，试样直径为6 mm，检测结果见表3，断裂后的拉伸试件如图5所示。从表3拉伸试样断裂位置可以看出，35CrMnSi钢管的惯性轴向摩擦焊接头抗拉强度高于母材。

表3 35CrMnSi钢惯性轴向摩擦焊接头拉伸试验结果

图5 拉伸试验后的摩擦焊接头拉伸试样

对热处理后的焊接接头取圆形标准拉伸试样进行拉伸性能检测，试样直径为6 mm，检测结果见表4，断裂后的拉伸试样如图6所示。从表4可以看出，35CrMnSi钢管热处理后焊接接头抗拉强度均超过1 890 MPa，所有试样拉伸过程均有屈服过程，并且具有一定的断后伸长率，表现出一定的塑性性能，表明通过轴向惯性摩擦焊焊接的35CrMnSi钢管接头性能良好。其中1号、2号试样断裂位置为焊接接头焊缝区，3号试样断裂位置为远离焊缝中心的母材，如图6所示。

表4 热处理后35CrMnSi钢摩擦焊接头拉伸试验结果

图6 热处理后接头拉伸试样

1号拉伸试样断裂位置焊缝中心，断面呈现45°剪切断裂，其断口扫描电镜形貌如图7所示。从图7a的断口整体形貌中可以看出，由内到外依次为纤维区、放射区与剪切唇区，纤维区在图7a的中上部，放射区呈现人字花样，表明裂纹扩展方向从上至下，剪切唇区有0．5 mm左右的宽度，断口平齐、光亮与拉伸应力垂直。图7b中纤维区韧窝尺寸小、深度浅，说明焊缝塑性较差。图7c中放射区有较多的韧窝，局部呈现解理断裂并存在二次裂纹，属于混合断裂。通过断口扫描电镜照片可以看出整体形貌呈现混合断裂特征。