搅拌头转速对球墨铸铁/低碳钢搅拌摩擦搭接接头强度的影响

邓子伦

（永城职业学院机电工程系， 河南 永城 476600）

引言

球墨铸铁是一种综合性能特别好的铸铁，具有耐磨、减振及缺口应力不敏感等优点，且生产工艺简单、性价比较高，被广泛应用于机械、石油、化工等领域[1-2]，特别是在大型风电件、矿机设备、发电件上得到了广泛的应用[3-4]，正在逐渐代替钢材。球墨铸铁已经在汽车传动轴、法兰和一些设备的承重梁组件中逐渐替代低碳钢[5-6]。但在替代过渡过程中必然用到球墨铸铁与低碳钢的焊接。

球墨铸铁中不但含碳量高，而且还含有镁和稀土等阻碍石墨化的元素。因焊接后冷却速度快，容易导致焊接接头处出现白口和麻口的莱氏体组织，这严重影响了焊接接头的强度，球墨铸铁与低碳钢等材质的焊接就更加困难[7]。所以目前球墨铸铁与低碳钢的焊接都要选用特殊焊条，并且还要对焊接件进行预加热，这严重降低了焊接效率、增加焊接成本。

搅拌摩擦焊是一项新的固态焊接技术，将转动的搅拌头插入被焊材料，通过对材料的搅拌、摩擦和顶锻作用使材料局部产生塑性流动，达到材料接合的目的。该焊接方法经济实用，被广泛应用于有色金属领域，但在黑色金属焊接领域却没有得到广泛应用，近年来才受到重视[8-10]。

球墨铸铁焊接过程中容易出现裂纹、孔洞和力学性能恶化等缺点[11-12]，作者利用搅拌摩擦焊对球墨铸铁与低碳钢实施了搭接焊，研究了搅拌头转速对接头强度、宏观形貌和显微组织的影响。

1 试样制备与实验方法

母材选用铁素体基球墨铸铁和80F 低碳钢，其厚度分别为1.2 mm 和3 mm，尺寸均为90 mm×40 mm，化学成分如表1 所示。搅拌头逆时针方向旋转，转速ω 分别设定为60 r/min、70 r/min、80 r/min、85 r/min、90 r/min、1 000 r/min 和1100 r/min，进给速度v 均为60 mm/min，实施搅拌摩擦搭接焊。选用平面圆锥型搅拌头，材料为碳化钨，搅拌头轴肩直径、搅拌针长度和下端直径分别为12 mm、2.8 mm 和3.6 mm。拉剪试样尺寸如图1 所示。

表1 母材化学成分%

截取接头横截面进行抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀后，利用JSM-5600 型扫描电镜观察其显微组织，另取试样只进行抛光后利用光学显微镜观察宏观形貌。利用RG2000-20 型电子万能实验机进行拉剪实验，夹头移动速度为2 mm/min，对各参数试样进行多次拉伸，对多个数据求平均值，并给出误差带。

2 实验结果与讨论

2.1 拉剪剥离强度

试样拉剪剪剥离强度如下页图2 所示，搅拌头转速由低到高变化过程中，试样拉剪剪剥离强度由1218 N/cm 缓慢下降至1 132 N/cm，当搅拌头转速超过800 r/min 后，剪剥离强度出现大幅度增大，超过900 r/min 后，增幅放缓，转速1 000 r/min 对应的剪剥离强度最大，为3 907 N/cm，超过1 000 r/min 后，剪剥离强度呈缓降趋势。

2.2 接头宏观形貌及显微组织

图3 所示为850 r/min、60 mm/min 试样的宏观形貌及显微组织，其中图3-2 为接头宏观形貌。搅拌区上部经动态再结晶形成16～20 μm 的等轴铁素体晶粒，如图3-1 所示。图3-2 右上角显微组织如图3-3所示，球墨铸铁中少量石墨在搅拌摩擦作用下被带动到顶板中，顶板低碳钢中，增加了低碳钢中的碳元素含量，最终在冷却过程中形成珠光体。搅拌区中部显微组织如图3-5 所示，球墨铸铁中的石墨核在塑性流动作用下形成带状结构，基体中原有的铁素体转变为珠光体结构。搅拌摩擦作用未使搅拌区左右两侧的接合面良好的接合，如图3-4 和图3-6 所示。

图4 为1 000 r/min、60 mm/min 试样的宏观形貌及显微组织。搅拌区上部低碳钢经动态再结晶形成约20 μm 等轴铁素体晶粒，如图4-1 所示。底板铸铁在强烈的塑性流作用下，被带动到顶板中，促进二者接合面处材料接合，在接头的右上角可看到少量带状组织，如图4-3 所示，该处材料以珠光体为主。搅拌区中部为球墨铸铁母材，石墨中的碳元素在搅拌摩擦作用下扩散进铁素体，温度升高至共析转变温度后，石墨附近的铁素体基体形成奥氏体[13]，而在后续冷却过程转变为珠光体和马氏体如4-5 图所示。搅拌摩擦的综合作用使前进边和后退边附近的接合面接合的更加紧密，如图4-4 和图4-6 所示。

通过分析抛光后未经腐蚀的接头横截面石墨颗粒分布，进一步分析接头组织变化。图5-1 为600 r/min 试样宏观形貌，在剧烈的搅拌摩擦作用下，石墨颗粒沿材料塑性流动方向被拉长形成带状，破坏了母材的均匀性，在拉伸剪切实验中，裂缝沿拉长的石墨延伸并使试样断裂，如图2 所示。850 r/min 试样宏观形貌如5-2 所示，接头右上方出现长条状石墨聚焦区，搅拌区底部存在大量石墨聚集，试样受拉剪作用时，裂缝从右上方的石墨聚集区开始延伸至搅拌区底部石墨聚集区，使试样断裂。1 000 r/min 试样宏观形貌如5-3 所示，顶板与底板之间的界限已经不太明显，多数石墨颗粒分布均匀，高转速搅拌作用破坏了原始的球状石墨，产生的高温作用促使石墨核重新形成，重新形成的石墨核增强了接头的强度，试样在拉剪作用下最终从低碳钢处断裂。

3 结论

1）固定搅拌头进给速度为60 mm/min，搅拌头转速超过800 r/min 后，对应的接头拉剪剪剥离强度提高很快，搅拌头转速1 000 r/min 对应的接头断裂于低碳钢母材处，其拉剪剪剥离强度最大，达到3 907 N/cm；

2）搅拌头转速过低会使接头处形成带状石墨聚集区，成为接头断裂路径，降低了接头强度；

3）提高搅拌头转速可有效促进两材料接合面接合，且有利于石墨颗粒分布均匀，从而提高接头强度。