10钢/35CrMnSi径向摩擦焊接头的力学性能及组织特征

陈大军，李忠盛，张隆平，戴明辉，代野，付扬帆

（西南技术工程研究所，重庆 400039）

35CrMnSi是一种低合金高强度钢，属于中碳调质钢，经适当热处理后的35CrMnSi具有强度高、韧性好等优异的力学性能，同时还具有淬透性好、易于成形等诸多优点，是制造承受强载荷冲击、重载等恶劣使用工况条件构件的理想材料，已被广泛应用于航天航空、石油化工、电力、兵器等领域。35CrMnSi管件/圆环焊接、管件/管件对接等的高强焊接问题是制约35CrMnSi材料工程化应用的关键因素之一。由于35CrMnSi热敏感性强，焊接时热裂纹倾向大，焊接性较差，目前采用电弧焊、埋弧焊、等离子弧焊等传统熔焊后易产生热裂纹等焊接缺陷，严重降低了接头的力学性能[1—3]。真空电子束焊接头强度高，但受设备真空室尺寸以及焊接结构的限制，难以满足长管件/圆环类、管件/管件类等构件的焊接要求。惯性径向摩擦焊是一种将飞轮存储的动能通过相对摩擦转化为热能，使接触面达到热塑性状态，随后迅速径向顶锻从而实现连接的一种固相焊方法[4—6]，具有焊接强度高、高效、可靠性好等特点，尤其适用于管体/圆环类等异种材料构件的高强连接，已成为国内外异种材料焊接研究的热点[7—15]。文中采用惯性径向摩擦焊工艺，对10钢/35CrMnSi异种金属进行焊接试验，分析了惯性径向摩擦焊接头的力学性能与组织特征。

1 试验

试验材料分别为 10钢（环）和 35CrMnSi高强度钢（管），其中10钢环尺寸为Ф55 mm×4.5 mm×5 mm，其含有质量分数为 0.07%～0.13%的 C，0.17%～0.37%的Si，0.35%～0.65%的Mn，不大于0.03%的S，不大于0.03%的P，不大于0.15%的Cr，不大于0.25%的Ni，不大于0.25%的Cu，余量为Fe。焊前对10钢环进行退火处理，热处理后的显微组织见图1。可见，10钢母材由铁素体和少量珠光体组成；35CrMnSi钢管尺寸为Ф45 mm×5 mm×300 mm，其含有质量分数为0.32%～0.39%的C，1.10%～1.40%的Si，0.80%～1.10%的 Mn，不大于 0.025%的 S，不大于0.025%的 P，1.10%～1.40%的 Cr，不大于 0.03%的 Ni，不大于0.025%的Cu，余量为Fe。焊前对35CrMnSi钢管进行调质处理，热处理后的显微组织见图2。可见，35CrMnSi母材由回火索氏体和铁素体组成。

图2 35CrMnSi母材的显微组织Fig.2 Microstructure of 35CrMnSi base metal

试验设备为CT-30型惯性径向摩擦焊机（见图3），焊接前将10钢环安装在径向加压装置内，35CrMnSi钢管安装在焊接工装中并稳定夹持，惯性径向摩擦焊摩擦压力的加载方向及试件旋转方式见图4。前期工艺摸索优化出的焊接工艺参数如下，摩擦转速ω1为3000 r/min，顶锻转速ω2为650 r/min，摩擦压力p1为9 MPa，顶锻压力p2为 16 MPa，保压时间t为 10 s。用此工艺参数共焊接出3组焊接试件，3组试件的径向烧损量为(1±0.2)mm，其中1#和2#试件用于剪切试验，3#试件用于显微组织分析和显微硬度测试。

图3 试验用CT-30T惯性径向摩擦焊机Fig.3 CT-30T inertia radial friction welding machine for experiment

图4 惯性径向摩擦焊Fig.4 Schematic diagram of inertia radial friction welding

采用CSS44100电子万能试验机测试焊接接头的剪切强度；采用HM-MT1000显微维氏硬度计测试焊接接头的显微硬度，加载载荷为300 g，各测试点间隔为 100 μm；采用超声测试评价焊接接头的焊接质量，测试条件为面扫描，纵波，探头频率为15 MHz；采用OLYMPUS-BX60M光学金相显微镜观察焊接接头的显微组织。

2 结果及分析

2.1 焊接效果

10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的宏观形貌见图5。可见，10钢环外表面在工装的径向夹持力作用下形成了规则的挤压楞，且10钢环在焊接过程中沿35CrMnSi钢管轴向方向发生强烈的塑性变形，并在钢环两侧形成了结构基本对称的焊瘤（飞边），焊后钢环展开宽度约8.6 mm（不含飞边），是焊前钢环宽度的1.7～1.8倍，宽度均匀适中，成形良好。

图5 焊接试件的宏观形貌Fig.5 Macro morphology of welding sample

10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的超声检测图谱见图6。可见，焊缝两侧的检测图谱表现为连续的红色带（宽度约2～2.5 mm），说明在焊接飞边处存在大量未熔合等弱连接缺陷；焊接飞边中间区域为焊合区，检测图谱表现为连续且宽度均匀的蓝色带（宽度约9～10 mm），未发现裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷，说明焊合区的焊合率100%，焊接质量好。

图6 焊接接头的超声检测图谱Fig.6 Ultrasonic testing figure of welding joints

2.2 剪切强度

基于管件/环类构件惯性径向摩擦焊接头的结构特点，试验采用剪切强度来考核焊接接头强度，从1#和2#焊接试件上分别制取4个剪切试样，剪切试验后获得的剪切强度见图7。可见，10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的剪切强度处于 510～530 MPa之间，平均剪切强度达到520 MPa。对10钢母材上制取相同的 4个试样进行剪切试验表明，10钢母材的平均剪切强度为492 MPa，说明惯性径向摩擦焊接头的剪切强度略高于母材，具有优异的剪切强度性能。

图7 焊接接头的剪切强度值Fig.7 Shear strength of welding joints

2.3 显微硬度

10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的显微硬度分布曲线见图8。可见，焊接接头的显微硬度呈现出中间高两头低的特征，在焊接界面及距离焊接界面100 μm以内区域的显微硬度值最高，达到500HV0.3以上。随着离焊接界面距离的增加，接头显微硬度值逐渐减小，在35CrMnSi侧离焊接界面500 μm区域的显微硬度值快速降至208HV0.3，基本与母材显微硬度相同；而在10钢侧离焊接界面300 μm处显微硬度快速降至230HV0.3后缓慢下降，在600 μm处才基本与母材相同。由于 35CrMnSi显微硬度高于 10钢，导致钢管侧显微硬度高于10钢环侧的显微硬度。

图8 焊接接头的显微硬度分布Fig.8 Micro-hardness distribution of welding joints

2.4 显微组织

10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的纵截面显微组织见图9。可见，接头中未见裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷，焊接飞边主要由10钢侧塑性金属挤出而形成，而35CrMnSi侧很少形成飞边。还可以看出，由于受焊接过程的旋转摩擦、顶锻压力以及热传导等综合作用，35CrMnSi侧热影响区中部宽度最大（约450～500 μm），从中部到边缘逐渐变小（约60 μm），这主要由于中部区域金属流变困难，加之散热慢，温度最高，导致热影响区宽度大；而边缘处高温金属易被挤出，热传导迅速，温度较低，因而热影响区宽度最小。

图9 焊接接头的纵截面显微组织Fig.9 Longitudinal section microstructure of welding joints

10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头的横截面显微组织见图 10。可见，惯性径向摩擦焊接头可分为4个区域：A区为35CrMnSi母材，B区为35CrMnSi热影响区，C区为10钢塑性变形区，D区为10钢母材。还可看出，在10钢塑性变形区（C区）和35CrMnSi热影响区（B区）内均出现金属流线形态的组织，且10钢/35CrMnSi焊接界面为明显的“锯齿状”咬和，这说明焊接过程中10钢和35CrMnSi金属均受大顶锻力作用发生了快速而强烈的塑性变形，实现了冶金结合。

图10 焊接接头的横截面显微组织Fig.10 Cross section microstructure of welding joints

35CrMnSi母材（A区）和热影响区（B区）的显微组织见图 11。可见，热影响区（B区）厚度约500 μm，其组织为晶粒细小的马氏体和少量贝氏体，这主要由于此区域焊接峰值温度处于Ac3以上，组织经历了奥氏体化，经快速冷却后形成了细小马氏体和少量贝氏体，致使35CrMnSi侧热影响区显微硬度值较高，这与图8所示的显微硬度分布规律相吻合。靠近热影响区的35CrMnSi组织形态与母材一致，未见明显变形。

图11 35CrMnSi母材（A区）和热影响区（B区）的显微组织Fig.11 Microstructure of 35CrMnSi base metal (A zone)and heat affected zone (B zone)

从焊接界面到10钢母材（D区）的显微组织见图 12。可见，10钢侧（C区）形成了一层具有明显金属流线的塑性变形层，其中靠近焊接界面区域的变形尤为剧烈，形成了厚度约150 μm的细晶区，其组织为少量马氏体和铁素体，越远离焊接界面，晶粒变形程度越小。细晶区的形成原因初步分析由惯性径向摩擦焊工艺的特点所决定，在焊接界面的相互摩擦生热过程中，10钢同时承受很大的径向压力和周向剪切力，在热-力耦合作用下，10钢侧发生了快速而强烈的塑性变形，存储了大量变形能，降低了焊缝金属的再结晶温度，加上靠近焊接界面区域的焊接温度很高，造成再结晶晶粒的成核率很大。由于惯性径向摩擦焊接时间仅数秒，加之焊缝区温度梯度大，冷却速度快，大量再结晶晶粒来不及长大就结束，从而在靠近焊接界面的10钢侧形成了一层细晶区。随着离焊接界面距离的增加，塑性变形层的晶粒变形程度和形变硬化效果逐渐变小，致使其显微硬度逐渐降低，这也与图8所示的显微硬度分布规律相吻合。

3 结论

1)采用惯性径向摩擦焊技术实现了 10钢/35CrMnSi异种金属的高强连接。

2)10钢/35CrMnSi惯性径向摩擦焊接头焊合区内未发现裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷，焊合率100%。

3)接头显微硬度分布呈现出中间高两头低的特征，平均剪切强度达520 MPa，略高于10钢母材。

4)10钢/35CrMnSi焊接界面为明显的“锯齿状”咬和。35CrMnSi侧的热影响区为细小马氏体和少量贝氏体组织；10钢侧形成了一层具有明显金属流线的塑性变形层，靠近焊接界面的塑性变形层为厚度约150 μm的细晶区，其组织为少量马氏体和铁素体。

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