焊接速度对异种不锈钢搅拌摩擦焊齿形接头组织和性能的影响【字数：12731】
本文对2mm厚的304/430不锈钢齿形接头进行搅拌摩擦焊实验，分析焊速对接头成形、微观结构以及力学性能的影响。选择合适焊接工艺参数，分别在焊接速度为20、30、40、50mm/min时进行焊接。通过金相观察、硬度分析及拉伸测试对不同焊接速度下的试样进行研究。实验结果表明焊接速度30、50mm/min 的材料表面出现明显沟槽，焊接速度20、40mm/min的接头表面成形良好。焊接速度较低时（v=20mm/min）、较高时（v=50mm/min），接头出现 “隧道型”缺陷。焊接速度为30mm/min焊核区呈现“河滩”状结构，不易实现有效连接。焊接速度为40mm/min的组织出现混合均匀的“浪花”结构。焊接速度增加，热机影响区分界线越来越模糊，热影响区晶粒尺寸变化不明显，第二相粒子逐渐析出，提高接头力学性能。接头横向硬度呈不对称“M”形分布，TMAZ-AS硬度最高，硬度最低点位于后退侧母材区。随着焊速提高，接头软化区减少，硬度最低值降低，抗拉强度曲线呈先下降后上升再下降的锯齿状，拉伸实验后的试样失效位置均为搅拌区。整体看，当转速为 1200rpm，轴肩下压量 0.15mm，停留时间10s，设置倾角为0°时焊接速度40mm/min 是本次实验获得的最佳参数。
目录
1. 绪论 1
1.1本课题研究背景 1
1.2搅拌摩擦焊焊接原理 1
1.3不锈钢FSW研究现状 2
1.4本文主要研究内容及方法 3
2. 实验材料及方法 5
2.1实验材料 5
2.2焊接方法 5
2.3实验过程 6
2.3.1金相试样制备 6
2.3.2拉伸性能实验 8
2.3.3显微硬度实验 8
3. 实验结果与分析 10
3.1接头表面形貌 10
3.2接头宏观组织 11
3.3接头微观组织 12
3.3.1焊速对齿形接头显微组织的影响 12
3.3.2焊接速度为40mm/min时的微观组织 15
3.4接头力学性能 17
3.4.1接头硬度分析 17
3.4.2接头拉伸性能分析 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
4. 结论 22
参考文献 23
致谢 25
1. 绪论
1.1本课题研究背景
随着时代发展，不锈钢在日常生活中的应用与日俱增，面对越来越严重的能源问题，节能减排、降低成本已经成为世界各国的共识，故节约成本、节能减排的技术越来越受到青睐，而节约成本的重要途径就是实现材料成本的降低。铁素体不锈钢具有良好的力学性能、价格便宜等优势，强度比奥氏体不锈钢高且具有磁性，所以被广泛应用于生产和生活中的各个领域[1]，适用于对力学性能要求较低的构件。由于奥氏体不锈钢具有良好的抗高温氧化性、耐腐蚀性和高温热强性，所以被广泛应用在压力容器、食品工业、汽车制造、医疗器械、航天航空等多领域。近来，奥氏体不锈钢结构件主要是通过焊接成型，所以国内外一直关注奥氏体不锈钢的焊接质量的优劣问题，对奥氏体不锈钢焊接结构的力学性能和使用寿命的要求随着现代化工业的迅速发展变得越来越高[2]，而铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的结合材料则形成了良好的补充。
目前，连接异种不锈钢在石油化工、核电站、发电厂以及汽车制造生产维修等多方面领域被广泛利用[34]。异种不锈钢材料之间的连接方式主要有机械连接、焊接等。埋弧自动焊（SAW），气体保护焊（GMAW），CO2气体保护药芯焊丝焊接 （FCAW），手工电弧焊（SMAW）等[5]等常见的焊接方法都可以用于对不锈钢进行焊接。随着焊接技术不断的快速发展，应用搅拌摩擦焊实现奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢等异种材料的有效连接愈受欢迎，接头采用齿形对接有利于搅拌区温度均匀化，降低焊接过程中搅拌头的损坏程度，改善异种不锈钢接触面之间的热传递[6]，所以应用搅拌摩擦焊齿形对接奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢具有非常重要的理论价值和重要的应用前景。
1.2搅拌摩擦焊焊接原理
搅拌摩擦焊 (Friction Stir Welding, FSW) 是英国焊接研究所 TWI (The Welding Institute) 提出的专利焊接技术[710]。避免了传统焊接方法的过程中被焊工件母材金属熔化的现象，焊接前工作简单，进行焊接时可以有效减少飞溅、弧光等带来的不利影响，有利于降低焊接变形量和提高生产效率，也降低了气孔、夹杂、裂纹等缺陷出现的频率。
如图 1.1所示，搅拌摩擦焊是一种固态连接技术，搅拌头由具有特定形状的搅拌针与轴肩构成，且搅拌针直径小于轴肩直径。焊接时使用专用夹具将待焊工件夹持在进行搅拌摩擦焊机的工作台上，增大了齿形接头之间的接触面积，从而可以避免待焊件受挤压作用而上下错位，为了防止塑性金属流失或者损坏搅拌针在待焊工件的背面靠近夹具的地方加一块垫板[11]。焊接时，搅拌头高速旋转，搅拌针缓慢扎入待焊工件，在下压力下的搅拌头对待焊工件进行挤压、摩擦从而产生较大的热量，此时待焊工件发生由于发生塑性变形产生了塑变潜热，使得搅拌头周周的待焊金属达到再结晶温度，产生软化达到塑性状态，发生塑性变形。当搅拌头行走时在搅拌头后方形成了瞬时空腔，软化的塑性金属材料在轴肩以及搅拌针的作用下及时从搅拌针前方流向后方以填补空腔，同时在轴肩的挤压、摩擦下形成波纹状的焊缝，在热机的联合作用下实现金属之间的固相连接[12]。进行FSW焊接时，搅拌针扎入金属的深度要小于待焊金属材料的厚度是为了避免损坏搅拌针，从而防止对后期实验造成不利影响。
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图1.1 FSW原理示意图
1.3不锈钢FSW研究现状
不锈钢根据组织状态可以分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。此外，如果按照成分，则可以分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。随着焊接技术的迅速发展，使用搅拌摩擦焊有效连接奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢等异种材料的相关连接愈受欢迎。
目前，国内外学者对不锈钢的焊接进行了深入研究。杨兴华等人[13] 根据235MA不锈钢的焊接性，分析合理的焊接工艺参数，根据产品的特点，采用小热输入、多层多道焊和短弧焊，有效地减小焊接变形量。Yang Li等人[1418]研究了H62黄铜和316L不锈钢的连续波Nd:YAG激光焊接,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能量色散x射线能谱仪和显微硬度测试等手段对接头的微观结构和力学性能进行了分析,发现黄铜与不锈钢搭接结构的焊接接头性能较好，同时在焊接接头中观察到元素的扩散和溶解，特别是锌的蒸发，由于黄铜和不锈钢具有无限的固溶性，接头中没有金属间化合物，最后，接头的显微硬度高于黄铜。Y.S. Sato[19]等人对SAF2507超双相不锈钢搅拌摩擦焊(FSW)的组织和力学性能进行了研究，采用多晶立方氮化硼(PCBN)搅拌摩擦焊，成功地在超双相不锈钢上制备了高质量的全熔透焊缝，基体组织为奥氏体与铁素体，搅拌区FSW通过动态再结晶细化了铁素体和奥氏体相，整个焊缝中铁素体含量保持在50~60%之间，铁素体和奥氏体相晶粒尺寸越小，搅拌区硬度和强度越高，焊缝横向拉伸试样在搅拌区与后退侧TMAZ边界附近失效，焊缝强度与基体材料基本相同。郭国林等[20]人分析了焊接速度对异种不锈钢搅拌摩擦焊接接头组织、性能的影响，得出了最佳的焊接速度为30mm/min,接头表面发生了动态回复和再结晶，塑性流动出现在焊核区，铁素体和奥氏体混合均匀，组织细小，同时试样抗拉强度最高、伸长率最大，断口具有脆性断裂特征。
目录
1. 绪论 1
1.1本课题研究背景 1
1.2搅拌摩擦焊焊接原理 1
1.3不锈钢FSW研究现状 2
1.4本文主要研究内容及方法 3
2. 实验材料及方法 5
2.1实验材料 5
2.2焊接方法 5
2.3实验过程 6
2.3.1金相试样制备 6
2.3.2拉伸性能实验 8
2.3.3显微硬度实验 8
3. 实验结果与分析 10
3.1接头表面形貌 10
3.2接头宏观组织 11
3.3接头微观组织 12
3.3.1焊速对齿形接头显微组织的影响 12
3.3.2焊接速度为40mm/min时的微观组织 15
3.4接头力学性能 17
3.4.1接头硬度分析 17
3.4.2接头拉伸性能分析 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
4. 结论 22
参考文献 23
致谢 25
1. 绪论
1.1本课题研究背景
随着时代发展，不锈钢在日常生活中的应用与日俱增，面对越来越严重的能源问题，节能减排、降低成本已经成为世界各国的共识，故节约成本、节能减排的技术越来越受到青睐，而节约成本的重要途径就是实现材料成本的降低。铁素体不锈钢具有良好的力学性能、价格便宜等优势，强度比奥氏体不锈钢高且具有磁性，所以被广泛应用于生产和生活中的各个领域[1]，适用于对力学性能要求较低的构件。由于奥氏体不锈钢具有良好的抗高温氧化性、耐腐蚀性和高温热强性，所以被广泛应用在压力容器、食品工业、汽车制造、医疗器械、航天航空等多领域。近来，奥氏体不锈钢结构件主要是通过焊接成型，所以国内外一直关注奥氏体不锈钢的焊接质量的优劣问题，对奥氏体不锈钢焊接结构的力学性能和使用寿命的要求随着现代化工业的迅速发展变得越来越高[2]，而铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的结合材料则形成了良好的补充。
目前，连接异种不锈钢在石油化工、核电站、发电厂以及汽车制造生产维修等多方面领域被广泛利用[34]。异种不锈钢材料之间的连接方式主要有机械连接、焊接等。埋弧自动焊（SAW），气体保护焊（GMAW），CO2气体保护药芯焊丝焊接 （FCAW），手工电弧焊（SMAW）等[5]等常见的焊接方法都可以用于对不锈钢进行焊接。随着焊接技术不断的快速发展，应用搅拌摩擦焊实现奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢等异种材料的有效连接愈受欢迎，接头采用齿形对接有利于搅拌区温度均匀化，降低焊接过程中搅拌头的损坏程度，改善异种不锈钢接触面之间的热传递[6]，所以应用搅拌摩擦焊齿形对接奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢具有非常重要的理论价值和重要的应用前景。
1.2搅拌摩擦焊焊接原理
搅拌摩擦焊 (Friction Stir Welding, FSW) 是英国焊接研究所 TWI (The Welding Institute) 提出的专利焊接技术[710]。避免了传统焊接方法的过程中被焊工件母材金属熔化的现象，焊接前工作简单，进行焊接时可以有效减少飞溅、弧光等带来的不利影响，有利于降低焊接变形量和提高生产效率，也降低了气孔、夹杂、裂纹等缺陷出现的频率。
如图 1.1所示，搅拌摩擦焊是一种固态连接技术，搅拌头由具有特定形状的搅拌针与轴肩构成，且搅拌针直径小于轴肩直径。焊接时使用专用夹具将待焊工件夹持在进行搅拌摩擦焊机的工作台上，增大了齿形接头之间的接触面积，从而可以避免待焊件受挤压作用而上下错位，为了防止塑性金属流失或者损坏搅拌针在待焊工件的背面靠近夹具的地方加一块垫板[11]。焊接时，搅拌头高速旋转，搅拌针缓慢扎入待焊工件，在下压力下的搅拌头对待焊工件进行挤压、摩擦从而产生较大的热量，此时待焊工件发生由于发生塑性变形产生了塑变潜热，使得搅拌头周周的待焊金属达到再结晶温度，产生软化达到塑性状态，发生塑性变形。当搅拌头行走时在搅拌头后方形成了瞬时空腔，软化的塑性金属材料在轴肩以及搅拌针的作用下及时从搅拌针前方流向后方以填补空腔，同时在轴肩的挤压、摩擦下形成波纹状的焊缝，在热机的联合作用下实现金属之间的固相连接[12]。进行FSW焊接时，搅拌针扎入金属的深度要小于待焊金属材料的厚度是为了避免损坏搅拌针，从而防止对后期实验造成不利影响。
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图1.1 FSW原理示意图
1.3不锈钢FSW研究现状
不锈钢根据组织状态可以分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。此外，如果按照成分，则可以分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。随着焊接技术的迅速发展，使用搅拌摩擦焊有效连接奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢等异种材料的相关连接愈受欢迎。
目前，国内外学者对不锈钢的焊接进行了深入研究。杨兴华等人[13] 根据235MA不锈钢的焊接性，分析合理的焊接工艺参数，根据产品的特点，采用小热输入、多层多道焊和短弧焊，有效地减小焊接变形量。Yang Li等人[1418]研究了H62黄铜和316L不锈钢的连续波Nd:YAG激光焊接,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能量色散x射线能谱仪和显微硬度测试等手段对接头的微观结构和力学性能进行了分析,发现黄铜与不锈钢搭接结构的焊接接头性能较好，同时在焊接接头中观察到元素的扩散和溶解，特别是锌的蒸发，由于黄铜和不锈钢具有无限的固溶性，接头中没有金属间化合物，最后，接头的显微硬度高于黄铜。Y.S. Sato[19]等人对SAF2507超双相不锈钢搅拌摩擦焊(FSW)的组织和力学性能进行了研究，采用多晶立方氮化硼(PCBN)搅拌摩擦焊，成功地在超双相不锈钢上制备了高质量的全熔透焊缝，基体组织为奥氏体与铁素体，搅拌区FSW通过动态再结晶细化了铁素体和奥氏体相，整个焊缝中铁素体含量保持在50~60%之间，铁素体和奥氏体相晶粒尺寸越小，搅拌区硬度和强度越高，焊缝横向拉伸试样在搅拌区与后退侧TMAZ边界附近失效，焊缝强度与基体材料基本相同。郭国林等[20]人分析了焊接速度对异种不锈钢搅拌摩擦焊接接头组织、性能的影响，得出了最佳的焊接速度为30mm/min,接头表面发生了动态回复和再结晶，塑性流动出现在焊核区，铁素体和奥氏体混合均匀，组织细小，同时试样抗拉强度最高、伸长率最大，断口具有脆性断裂特征。
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