高 增，秦 震，張 勇，張澤洲

(1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003; 2.中內(nèi)凱思汽車新動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，河南 孟州 454750)

0 引言

內(nèi)燃機(jī)因其具有高的熱效率、優(yōu)異的動(dòng)力性能、較寬的功率范圍及可靠耐久等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于載重汽車、鐵路機(jī)車及船用發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域[1-3]。近年來，隨著內(nèi)燃機(jī)性能要求日益嚴(yán)格，對(duì)影響內(nèi)燃機(jī)整體性能的活塞提出了更高要求[4]。而在活塞服役過程中，經(jīng)常要承受高溫高壓的耦合作用，傳統(tǒng)鑄鋁活塞難以達(dá)到此條件和要求[5-6]，已被更高強(qiáng)度的鋼制活塞所替代，但整體鍛造鋼制活塞技術(shù)難度高，因此需要合適的焊接技術(shù)制備焊接式結(jié)構(gòu)活塞。

摩擦焊是一種典型的固相焊接，具有熱量輸入低、焊接效率高、焊接方便、焊接質(zhì)量好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[7-10]，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]通過摩擦焊接方式將鍛鋼活塞頭部與裙部形成一個(gè)整體，并形成封閉內(nèi)冷油腔。文獻(xiàn)[12-13]發(fā)現(xiàn)了38MnVS6鍛鋼活塞摩擦焊焊合區(qū)及焊縫區(qū)組織為細(xì)小的針狀馬氏體組織，且焊合區(qū)馬氏體更加致密細(xì)小，母材中的硫化物夾雜是降低接頭性能的主要原因。文獻(xiàn)[14]利用摩擦焊接工藝對(duì)材質(zhì)為38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼的CA6DM2活塞進(jìn)行了焊接并在焊后進(jìn)行高溫回火，發(fā)現(xiàn)焊合區(qū)組織也為細(xì)小的針狀馬氏體組織，焊后活塞基體成分、顯微組織和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫強(qiáng)度大于活塞本體的強(qiáng)度，并且斷裂面未出現(xiàn)在焊縫位置。

利用摩擦焊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鍛鋼活塞的可靠連接，然而主軸轉(zhuǎn)速作為影響摩擦焊工藝的主要參數(shù)[15-17]，其與焊接接頭組織和性能的聯(lián)系尚不清晰。因此，本文通過摩擦焊對(duì)鍛鋼活塞進(jìn)行焊接，并系統(tǒng)研究了摩擦焊轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，旨在為摩擦焊技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文鍛鋼活塞選用的材料為非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS6[18]，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分 %

在焊接試驗(yàn)前，采用DK7732型電火花線切割半成品焊接面內(nèi)壁的金相試樣，經(jīng)磨削、拋光、硝酸乙醇溶液進(jìn)行腐蝕、清洗、吹干后，在OLYMPUS PMG3型奧林巴斯光學(xué)顯微鏡(optical microscope，OM)對(duì)其組織形貌進(jìn)行觀察。焊接試驗(yàn)采用AAM公司的摩擦焊機(jī)，試樣采用摩擦焊工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 141 r/min和1 210 r/min，壓力為135 MPa，保壓時(shí)間為3 s，縮短量為3.5 mm，飛輪數(shù)量為3。摩擦焊后，在萬(wàn)能材料機(jī)上對(duì)不同轉(zhuǎn)速下摩擦焊后的鍛鋼活塞進(jìn)行折彎試驗(yàn)，每種狀態(tài)下的試樣至少測(cè)量3次。折彎試驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)為：到達(dá)或穿過焊縫中心為不合格，其余情況判定為合格。折彎試驗(yàn)后，借助OM對(duì)斷裂在焊縫中間試樣的組織形貌進(jìn)行觀察，并借助SM-5610LV型掃描電子顯微鏡試樣的斷口形貌進(jìn)行分析，電子加速電壓為20 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊前半成品焊接面微觀組織形貌

圖1給出了焊前半成品焊接面處的金相組織形貌。從圖1a可以看出：摩擦焊之前半成品母材基體組織為典型的鐵素體(F)+珠光體(P)組織，且鐵素體主要分布在晶界上。從圖1b中可觀察到：鐵素體呈白色帶狀分布，且?guī)铊F素體附近分布著大量條狀灰色夾雜物，主要為硫化錳等夾雜物。

(a) 200×金相組織 (b) 1 000×金相組織

2.2 折彎試驗(yàn)

通過折彎試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)摩擦焊轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min時(shí)，試樣均從內(nèi)焊縫中間斷裂，外焊縫處未發(fā)生斷裂；當(dāng)增大摩擦焊轉(zhuǎn)速至1 141 r/min時(shí)，試樣在內(nèi)、外焊縫處均未發(fā)生斷裂；然而，繼續(xù)增大摩擦焊轉(zhuǎn)速達(dá)到1 210 r/min時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分試樣卻從外焊縫中間發(fā)生斷裂，內(nèi)焊縫處均未發(fā)生斷裂。由此可見，選擇合適的摩擦焊轉(zhuǎn)速對(duì)焊接鍛鋼活塞的強(qiáng)度至關(guān)重要，選擇的轉(zhuǎn)速過大或者過小，均可能造成試樣的強(qiáng)度降低，因此對(duì)鍛件折彎試驗(yàn)斷裂在焊縫中間試樣的金相及斷口形貌進(jìn)行分析，以尋求不同摩擦焊轉(zhuǎn)速下試樣在焊縫中間斷裂的原因。

2.3 折彎試驗(yàn)斷裂在焊縫中間焊接接頭組織分析

圖2為鍛鋼活塞折彎試驗(yàn)在低轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)時(shí)斷裂在內(nèi)焊縫中間的焊接接頭組織形貌。焊接接頭由焊合區(qū)(焊縫)和熱影響區(qū)組成，如圖2a所示，焊縫處的鐵素體相變比熱影響區(qū)的相變更加完全，這是由于在焊接過程中，距焊縫不同距離處的加熱程度不同，即被加熱到的最高溫度不同，隨著距焊縫距離的增大，加熱程度逐漸降低，因此鐵素體在熱影響區(qū)的相變程度不完全。從圖2b中可以看出：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，焊合區(qū)及與焊縫相鄰的熱影響區(qū)仍存在條帶狀的鐵素體，這與在低轉(zhuǎn)速時(shí)焊接溫度偏低、鐵素體未完全發(fā)生相變有關(guān)。

(a) 100×金相組織 (b) 1 000×金相組織

圖3為鍛鋼活塞在折彎試驗(yàn)中高轉(zhuǎn)速(1 210 r/min)時(shí)斷裂在外焊縫中間的焊接接頭組織形貌。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：在高轉(zhuǎn)速時(shí)，焊接溫度升高，焊縫處已無(wú)明顯的帶狀鐵素體，組織為細(xì)小的針狀馬氏體，此外還可見焊縫區(qū)存在少量黑色的條帶硫化錳。針狀馬氏體是由于焊接熱輸入過大而形成的。焊接接頭屬于局部加熱，且鍛鋼的導(dǎo)熱速率快，相當(dāng)于快速冷卻，使得鍛鋼在局部發(fā)生淬火現(xiàn)象，因此也就產(chǎn)生了馬氏體組織。針狀馬氏體組織具有硬度高和脆性大等特點(diǎn)，容易使焊縫產(chǎn)生裂紋。

圖3 高轉(zhuǎn)速(1 210 r/min)斷裂在外焊縫中間的組織形貌

2.4 斷口形貌

使用掃描電子顯微鏡對(duì)鍛鋼活塞折彎試樣斷裂在焊縫中心以及熱影響區(qū)外的斷口形貌進(jìn)行分析，其斷口形貌如圖4所示。如圖4a所示，斷裂在焊縫中心的斷口形貌，呈明顯的河流花樣的特征，表明折彎試樣在焊縫中心內(nèi)的斷裂為典型的脆性斷裂。而斷裂在熱影響區(qū)外的斷口形貌則與之不同，如圖4b所示，斷口上密布著大小不一的韌窩，為典型的韌性斷裂。

(a) 焊縫中心斷口形貌 (b) 熱影響區(qū)外斷口形貌

分別對(duì)斷裂在焊縫中心和熱影響區(qū)外的斷口進(jìn)行能譜分析，其能譜分析結(jié)果如表2和表3所示，通過對(duì)表2和表3的各元素質(zhì)量百分比和原子個(gè)數(shù)百分比進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)斷裂在焊縫中心部分的S元素質(zhì)量百分比是斷裂在熱影響區(qū)外部分的S元素質(zhì)量百分比的1.8倍以上，說明脆斷區(qū)域內(nèi)存在S元素的偏析聚集。

表2 焊縫中心斷口能譜數(shù)據(jù) %

表3 熱影響區(qū)外斷口能譜數(shù)據(jù) %

3 討論

由文獻(xiàn)[19-20]可知，計(jì)算金屬摩擦焊表面溫度的公式為：

T(t)=qt/(πλC)，

(1)

其中：q=(πnT)/30，q為摩擦加熱功率，kW；T為摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm；n為摩擦轉(zhuǎn)速，r/min；λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；C為熱容量，J/K；t為摩擦加熱時(shí)間，s。

由公式(1)可知：在摩擦焊接過程中，當(dāng)焊接轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，隨著摩擦焊轉(zhuǎn)速的增加，摩擦加熱功率增加，摩擦焊接表面溫度增加。由此可知，摩擦焊轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了焊接接頭的摩擦加熱過程，直接影響焊接接頭的加熱溫度，使得微觀組織存在差異，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。

從圖2b中可看出：焊前半成品摩擦焊接面區(qū)域鐵素體呈帶狀分布，由于硫化物等一般沿鐵素體晶界析出，從而導(dǎo)致硫化錳等夾雜物同樣呈帶狀分布，同時(shí)從表2中也證實(shí)了硫元素的存在，硫化物等夾雜物熔點(diǎn)較低，一般在950 ℃左右；摩擦焊接過程中的焊接溫度為1 200 ℃左右，硫化物等低熔點(diǎn)夾雜物熔化產(chǎn)生微裂紋，硫化物的帶狀分布導(dǎo)致焊接微裂紋呈方向性分布，折彎過程微裂紋沿帶狀方向擴(kuò)展，即造成焊合區(qū)強(qiáng)度低于正常基體。隨著轉(zhuǎn)速的升高，焊接溫度升高，焊縫區(qū)已無(wú)明顯的帶狀鐵素體，進(jìn)而使得折彎試驗(yàn)中未從內(nèi)焊縫中間斷裂，焊接樣品合格。因此，摩擦焊接工藝盡量采用高轉(zhuǎn)速，以提高內(nèi)焊接面焊接溫度，降低帶狀組織對(duì)內(nèi)焊縫的影響。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致外焊接面能量過大、外焊縫焊接溫度過高、過冷度增大，形成針狀馬氏體，即造成外焊縫焊接強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致斷裂。因此，在摩擦焊接中選擇合適的轉(zhuǎn)速十分重要。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)摩擦焊轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min時(shí)，折彎試驗(yàn)中試樣均從內(nèi)焊縫中間斷裂，外焊縫處未發(fā)生斷裂；當(dāng)增大摩擦焊轉(zhuǎn)速至1 141 r/min時(shí)，試樣在折彎試驗(yàn)中內(nèi)、外焊縫處均未發(fā)生斷裂；然而，繼續(xù)增大摩擦焊轉(zhuǎn)速達(dá)到1 210 r/min時(shí)，發(fā)現(xiàn)折彎試驗(yàn)中部分試樣卻從外焊縫中間發(fā)生斷裂，內(nèi)焊縫處均未發(fā)生斷裂。

(2)鍛鋼活塞未焊接前焊接面處存在嚴(yán)重的帶狀鐵素體。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低(1 000 r/min)時(shí)，內(nèi)焊縫處的帶狀鐵素體未完全發(fā)生相變，使得硫化物也呈帶狀分布，焊接微裂紋呈方向性分布，焊合區(qū)強(qiáng)度降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高(1 210 r/min)時(shí)，外焊縫處形成針狀馬氏體，焊合區(qū)強(qiáng)度降低。

(3)鍛鋼活塞在焊縫中心的斷裂為脆性斷裂，在熱影響區(qū)外的斷裂為韌性斷裂。