惯性摩擦焊接头塑性流动行为及显微组织分析

顿亚鹏 杨伟 刘建永 盛晓菲

摘  要：通过惯性摩擦焊机对30CrMnSi/37CrMnMo进行摩擦焊接，通过金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对焊接接头进行组织观察，利用能谱仪（EDS）检测了焊接界面的元素扩散，通过硬度计测定了焊接界面两侧的硬度变化。实验结果表明，焊接界面紧密结合呈现凹凸状“咬合”，完全塑性变形区发生了元素扩散实现了良好的冶金结合，Si和Mo发生短程扩散，其余元素在界面处均匀化;焊接接头感应热处理后塑变区组织转变成回火索氏体和少量贝氏体。部分塑性变形区内的组织为回火索氏体夹杂小块状的铁素体，30CrMnSi管体侧Zud末端的硬度最低，随着与焊缝距离的减小硬度值有上升的趋势，在焊缝处可达29.4HRC。

关键词：惯性摩擦焊;扩散;回火索氏体;硬度

中图分类号：TG453.9         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）26-0033-04

Abstract： The friction welding of 30CrMnSi/37CrMnMo was carried out by inertial friction welding machine， the microstructure of welded joint was observed by optical microscope （OM） and scanning electron microscope （SEM）， and the element diffusion of welding interface was detected by energy dispersive spectrometer （EDS）. The hardness changes on both sides of the welding interface were measured by hardness tester. The experimental results show that the tight bonding of the welding interface shows a concave and convex "occlusal"， the element diffusion occurs in the complete plastic deformation zone to realize a good metallurgical bonding， the short range diffusion occurs in Si and Mo， and the other elements are homogenized at the interface. After induction heat treatment of welded joints， the microstructure of plastic zone is transformed into tempered sorbite and a small amount of bainite. The microstructure in part of the plastic deformation zone is tempered sorbite inclusion small block ferrite， and the hardness of the Zud end of the 30CrMnSi tube is the lowest， which tends to increase with the decrease of the distance from the weld， and can reach 29.4HRC at the weld seam.

Keywords： inertial friction welding; diffusion; tempered sorbite; hardness

1 實验材料及方法

实验材料为37CrMnMo钢和30CrMnSi，其成分如表1所示，经过调质处理工艺的端部加厚管体其钢级为G105，工具接头为NC50 成品接头。

应用320BX惯性摩擦焊机对管体和工具接头进行摩擦焊接，焊接工艺参数有：顶锻压力1950psi，旋转速度有745rpm。摩擦焊接后的飞边采取退火后进行切削加工，焊缝处通过XG-40型中频加热装置进行局部感应热处理。

通过OM、SEM和EDS对惯性摩擦焊接头进行显微组织形貌观察、金属流线观察、焊接接头界面合金元素分布及扩散测定，通过硬度计测定焊接接头附近硬度值，揭示焊接接头的形成过程和接头性能。

2 实验结果与分析

2.1 焊接接头的金属塑性流动特性

在摩擦焊接初始阶段，工具接头和管体环形区域摩擦产生大量热，同时摩擦扭矩急剧增大，界面处金属发生破碎、剪切行为。当摩擦扭矩达到前峰值，工具接头和管体环形区域由于摩擦热形成塑性金属，在摩擦扭矩维持在稳定的平衡扭矩时，塑性金属径向扩展，摩擦扭矩增到后峰值扭矩时和轴向压力共同对接头进行强烈顶锻，塑性金属向接头界面处移动。

在摩擦焊接过程中钻杆和工具接头界面摩擦快速升温致界面金属呈塑性，在轴向力下塑性金属被径向挤出，接触界面存在塑性变形和机械挖掘。摩擦热、摩擦扭矩及顶锻压力促使属塑性流动，形成不同金属流线。由接头界面向母材方向可分为4个区域：完全塑变区Zpl（Fully plasticized zone）、部分塑变区Zpd（Partially deformed zone）、未变形区Zud（Undeformed zone）和母材区BM（Base metal）[1-3]。在完全塑性变形区金属受到摩擦热产生元素扩散，在摩擦扭矩作用下界面金属发生剧烈剪切撕裂和机械挖掘;在部分塑变区金属接受完全塑变区传递的摩擦热，同时承受轴向压力产生变形，金属原子运动不及完全塑变区剧烈;未变形区和母材区距离摩擦界面距离较远，接受的热量不足以使晶粒组织变化。惯性摩擦焊接形成的完全塑变区、部分塑变区显微组织和金属流线如图1。

塑性金属由于受到摩擦扭矩产生环形运动，在轴向力和顶锻力作用下产生轴向缩短，促使金属向焊接接头界面处运动。在金相照片中显示出不同金属流線，完全塑性变形区的界面处为横向流线，在部分塑性变形区为纵向流线，横纵连接处存在弯曲流线。通过塑性变形区的组织分析发现在界面处组织有参差咬合的情况[4-7]。焊缝的宽度是参差咬合实际宽度，在垂直于界面方向上有40μm的距离。

2.2 焊接界面的元素扩散分析

惯性摩擦焊接过程中转速为745/rpm时，接头界面处金属塑性流动充分，后阶段顶锻使接头结合良好，由于接头界面塑性金属剧烈运动以及顶锻作用使30CrMnSi/37CrMnMo界面产生凹凸状“咬合”，无氧化夹杂，接头微观结合良好。通过在30CrMn

Si/37CrMnMo界面进行线扫描，分析接头界面处附近100μm、C、Si、Mo、Cr元素的扩散行为，如图2所示。

在焊缝界面附近100μm的范围内，金属成分相互扩散，这种互相渗透咬合既有界面高速塑性剪切发生了机械混合，又有高温阶段原子的相互扩散存在。

由于30CrMnSi和37CrMnMo元素含量存在浓度差，在界面受到高速塑性剪切和高温下元素扩散，使接头形成良好的冶金结合。从图3中可以看出，由于管体基体为30CrMnSi，其中Si元素含量要远高于37CrMnMo，30CrMnSi基体中的Si受高温和浓度梯度驱动下向37CrMnMo基体进行元素扩散，扩散了约“30μm”。37CrMnMo中的Mo元素同样原因向30CrMnSi中迁移Mo元素，由于37CrMnMo中Mo含量不是很高，元素迁移距离较短，扩散约为“20μm”。由于两个钢种碳、锰、铬含量浓度相差较小，在接头界面两侧约40μm范围内发生了元素的均匀化，提高接头的连接强度。

2.3 焊缝及热影响区的组织及性能

30CrMnSi和37CrMnMo界面处有明显的变形区域，晶粒细小。在惯性摩擦焊接中摩擦和顶锻阶段使接头处金属发生剧烈剪切，晶粒发生滑移与变形引发动态再结晶，导致晶粒细小。焊后感应热处理后通过显微组织观察，在完全塑性变形区中组织为回火索氏体和微少贝氏体，在部分塑变区组织转变为回火索氏体夹杂小块状的铁素体。在30CrMnSi部分变形区，显微组织中除了回火索氏体，发现块状铁素体较37CrMnMo侧铁素体组织大并且数目多。

接头硬度测试部位取样如图5所示，分别取自距离 37CrMnMo/30CrMnSi焊接接头内、外表面3mm和管厚中部。

焊缝左侧是30CrMnSi管体，右侧是37CrMnMo钻杆接头。不同位置取样的硬度增长趋势如图6，宏观来看工具接头37CrMnMo侧的硬度值要略高于管体30CrMnSi侧，通过对照 37CrMnMo/30CrMnSi摩擦焊接后形成的完全塑变区、部分塑变区以及未变形区微观形貌，发现硬度值从管体侧向界面方向不断提高，在管体部分塑性变形区因存在数量较多的块状铁素体致使硬度下降。37CrMnMo侧由于焊后感应热处理组织转变为回火索氏体，硬度较高且平稳，焊缝处硬度值可达29.4HRC。

3 结论

（1）37CrMnMo/30CrMnSi摩擦焊接形成的接头在摩擦扭矩和顶锻力的双重施加下，界面金属发生剧烈塑性流动，在圆环界面做圆周运动，在顶锻阶段受到强烈顶锻使金属在轴向方向进行螺旋运动。在塑性变形区存在横向金属流线、纵向金属流线及弯曲状金属流线。界面处呈现凹凸状咬合组织形貌。

（2）30CrMnSi基体中的Si受高温和浓度梯度驱动下向37CrMnMo基体进行元素扩散，扩散了约“30μm”。37CrMnMo中的Mo元素含量不是很高，元素迁移距离较短，扩散约为“20μm”。由于两个钢种碳、锰、铬含量浓度相差较小，在接头界面两侧约40μm范围内发生了元素的均匀化。

（3）37CrMnMo侧的硬度值要略高于管体30CrMnSi侧，在管体部分塑性变形区因存在数量较多的块状铁素体致使硬度下降。37CrMnMo侧由于焊后感应热处理组织转变为回火索氏体，硬度较高且平稳，在焊缝处硬度值可达29.4HRC。

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