2205双相不锈钢搅拌摩擦焊接头组织和性能

0 序 言

双相不锈钢 (duplex stainless steel，DSS)综合了奥氏体不锈钢良好韧性及焊接性与铁素体不锈钢较高强度和耐腐蚀能力，被广泛应用于石油化工、天然气及船舶制造等领域[1]. 其中以2205双相不锈钢应用最为广泛，占总量的80%.

采用传统的熔化焊方法对2205双相不锈钢进行焊接时，由于热输入较高，往往会导致接头铁素体含量升高及组织粗化. 此外熔焊过程中也会导致硬脆的金属间化合物析出. 以上因素会显著降低接头的力学性能[2-4]. 因此，如何控制焊接热输入实现接头两相组织的调控是双相不锈钢焊接有待解决的重要问题.

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型固相连接技术，其较低的热输入可以消除传统熔化焊所导致的焊接缺陷[5]. 目前国内外对铝、镁等轻合金搅拌摩擦焊组织和性能进行大量的研究，近些年来也开始向其它材料如钛、不锈钢材料等方向发展，但是对于双相不锈钢研究较为匮乏[6]. 为提高双相不锈钢的焊接质量，拓展搅拌摩擦焊技术的应用范围，将对2205双相不锈钢搅拌摩擦焊工艺及接头组织和性能进行研究.

1 试验方法

选用尺寸为 300 mm × 100 mm × 4mm 的 2205双相不锈钢板作为母材(Fe-22.57Cr-5.3Ni-3.04Mo-1.25Mn-0.14N-0.025C-0.03P-0.002S，质量分数，%).所用搅拌头材料为钨铼合金，搅拌针为锥状带螺纹设计，针长度为 3.8 mm，轴肩直径为 20 mm. 焊前工件经机械打磨后用酒精擦拭. 焊接时固定焊接速度v=50 mm/min，搅拌头转速范围 n=500 ～ 800 r/min.焊后沿垂直于焊接方向截取接头横截面，经过打磨、抛光后，采用30%KOH的电解液对试样进行腐蚀处理，腐蚀电压 7 V，腐蚀时间 20 s. 采用光学显微镜对接头不同区域的微观组织进行观察.

在库恩看来，“一个新理论只有在常规的问题解决活动宣告失败之后才突现出来”[2]63，新理论是对危机的一个直接的回答，危机是新理论出现的一个前提条件。“科学中像制造业中一样，更换工具是一种浪费，只有在不得已时才会这么做。危机的意义就在于：它指出更换工具的时机已经到来了。”[2]65危机和反常一样，是范式动态性的重要表现。反常和危机伴随着常规科学的发展，如何应对常规科学中越出范式所预期的现象和问题成为了科学共同体成员重要的任务。

在试样的横截面上，采用HVS-1000型Vickers硬度仪分别对接头上、中和下层进行显微硬度测试，测量位置距离焊缝上表面分别为1，2和3 mm，所用载荷为 4.9 N，保压时间 10 s. 对每个工艺参数下所获得的接头选取三个拉伸试样在GP-TS2000M型电子式材料测试机上进行拉伸试验，取平均值作为拉伸性能结果，并采用扫描电镜对拉伸试样断口进行观察.

3）体质健康促进是多方向共同作用的合力效果，无论是身体形态、身体机能还是身体素质。要提高体质健康水平，体育锻炼务必全面，速度、耐力、柔韧、力量、灵敏都需要兼顾。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝成形

2.1.1 焊缝表面形貌

第五，“南海核心利益说”是中国对当时世界实力格局变化认识的产物。国际金融危机背景下的大国实力格局发展出现有利于中国的重大变化。中国意识到：中国实力发展及其国际影响的确大幅接近美国，正处在GDP超过日本并将大幅超过日本等国的关键阶段，中国发展正取得重大进展。这种现实及趋势符合学术界一直讨论的全球权力重心正处在由大西洋向亚太转移的观点。鉴于当时美国受金融危机打击较重且深陷伊拉克、阿富汗事务，美国和中国间的美国相对衰落、中国相对增强观念对中国影响较大，中国开始在一系列问题上力图通过下先手棋为自己赢得更多的利益和机会。[17]

不同转速下2205双相不锈钢搅拌摩擦焊接头表面成形如图1所示. 当转速为500 r/min时，由于转速较低，焊接过程中热输入不足，达到塑化的材料不足并且材料流动性差，搅拌头旋转时没有足够的材料填充在焊缝表面，最终在焊缝表面形成局部凹陷，如图1a所示. 随着搅拌头转速的增加至600 r/min，较高的热输入导致塑性材料流动性增加，因此焊缝表面平整.随着搅拌头转速的继续升高，达到塑化状态的材料增多，多余的材料经过轴肩挤压在焊缝表面产生少量的飞边如图 1c，1d所示.

图 1 不同转速下焊缝表面宏观形貌
Fig. 1 Weld formations at different rotation speeds

2.1.2 接头截面特征

实验一：乳剂的制备；实验二：混悬剂的制备；实验三：片剂的质量检查；实验四：软膏剂的制备；实验五：栓剂的制备。

式中，dLλ、dEλ都是无穷小量，要求探测器具有无穷小的视场角。实际测量中，探测器的视场角均为一定值，视场角的选择与测量目标表面的均匀性有关，测量的BRDF为探测器视场范围内的均值，可表示为

不同转速下焊缝横截面如图2所示. 2205双相不锈钢搅拌摩擦焊接头可以分为四个区域，即母材区(BMZ)，热影响区(HAZ)，热力影响区(TMAZ)和搅拌区(SZ). 根据材料流变行为的差别，接头可分为前进侧(AS)和后退侧(RS). 前进侧热力影响区与搅拌区界线明显而后退侧热力影响区与搅拌区界线比较模糊.

在转速为500 r/min时(图2a)，在前进侧热力影响区与搅拌区的界面底部出现未焊合缺陷，并且在接头底部产生了孔洞缺陷. 这是由于转速较低时，材料流动不充分而导致焊缝内部材料未完全闭合而形成缺陷. 搅拌头转速的增加使焊接热输入和塑性变形增加，接头内部缺陷随之消除.

2.2 接头组织特征

2.2.1 晶粒形态

接头不同区域微观组织特征如图3所示. 母材区晶粒未经过热机作用呈现明显的轧制态，晶粒沿着轧制方向被拉长. 热影响区的晶粒受到热循环的影响，晶粒发生一定程度的长大. 热力影响区组织发生一定程度的塑性变形同时受到焊接温度场的的影响，使晶粒发生扭曲. 搅拌区的组织经过剧烈的塑性变形和焊接热的作用，使两相组织都发生了动态再结晶过程，导致该区域为细小的等轴晶. 之前的研究表明，在搅拌摩擦焊过程中奥氏体晶粒细化机制为不连续动态再结晶，而铁素体为连续动态再结晶机制[7]. 搅拌区靠近前进侧奥氏体和铁素体晶粒最细小，主要是由于该区域塑性变形最为剧烈[8].

图4为不同转速下搅拌区微观组织特征. 随着转速的增加，搅拌区两相晶粒尺寸增加. 通常认为，较高转速下材料的变形程度和焊接热输入较高，塑性变形程度的增加使再结晶晶粒尺寸降低，而焊接热输入的增加使再结晶后的晶粒尺寸增加. 搅拌区两相晶粒尺寸的增加说明焊接热输入对晶粒尺寸的影响大于塑性变形.

图 2 不同转速下接头横截面
Fig. 2 Cross-sections of weld joints at different rotation speeds

图 3 接头各区微观组织形貌 (转速 600 r/min)
Fig. 3 Micorstructures of joint at various zones (rotation speed 600 r/min)

2.2.2 相组成特征

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沿接头中心水平方向从前进侧到后退侧铁素体含量分布如图5a所示. 接头整体的铁素体含量维持在50% ～ 60%之间. 在较高温度下，奥氏体向铁素体转变，导致搅拌区和热力影响区的铁素体含量都高于母材. 在冷却过程中，铁素体向奥氏体转变. 由于搅拌区中心冷却速率较慢，所以该区域铁素体含量低于热力影响区. 不同转速下搅拌区铁素体含量如图5b所示，搅拌区铁素体含量随着转速的升高而增加. 对于双相不锈钢焊接，影响焊接后铁素体含量的因素主要为焊接温度和随后冷却速率. 转速的增加使焊接过程中热输入增加，温度升高使奥氏体向铁素体转变量增加，而焊后冷却速率较快，奥氏体来不及析出使搅拌区铁素体含量增加.

图 4 不同转速下搅拌区组织形貌
Fig. 4 Microstructures of stir zone at different rotation speeds

图 5 接头铁素体含量
Fig. 5 Profile of ferrite content in the joint

2.3 力学性能

2.3.1 显微硬度

典型接头的显微硬度分布如图6a所示. 由于热影响区在焊接热作用下组织发生明显粗化，因此最低硬度值出现在该区域. 在搅拌区厚度方向上，上层和下层的硬度都高于中间层. 这是由于在焊接过程中焊缝上部在轴肩的影响下发生的塑性变形最为剧烈，而焊缝底部温度较低且散热较快，因此以上两个区域组织较为细小，硬度值较高.

不同转速下接头水平方向的显微硬度分布如图6b所示. 随着搅拌头转速的增加，接头搅拌区硬度呈现先增加后降低的趋势，转速为600 r/min时搅拌区的硬度值最高. 这是由于转速较低时，材料塑性变形程度较小，而转速较高时，接头热输入较高，这都导致搅拌区晶粒尺寸增大，故硬度值较低.

图 6 接头显微硬度分布
Fig. 6 Hardness distribution of joints

2.3.2 拉伸性能

焊接接头的抗拉强度随转速的变化如图7a所示. 转速为500 r/min时，由于接头存在内部缺陷，接头的抗拉强度较低. 随着搅拌头转速的增加，接头的抗拉强度呈现先增加后下降的趋势，与显微硬度的变化规律一致. 在转速为600 r/min时，抗拉强度最高，为824 MPa，达到母材的97.3%.

图7b为不同转速下拉伸件的断裂位置，从图中可以看出拉伸件的断裂位置都为前进侧热影响区，与显微硬度的最低位置相对应. 对拉伸试样的断口表面用扫描电镜进行观察，断口表面布满了大小不等的韧窝，为典型的韧性断裂的形貌(图7c).

图 7 接头拉伸性能
Fig. 7 Tensile properties of joints

3 结 论

(1) 焊接速度为 50 mm/min 时，搅拌头转速在600 ～ 800 r/min 的范围内，均可获得表面成形良好且内部无缺陷的双相不锈钢搅拌摩擦焊接头.

(2) 搅拌区晶粒呈现细小等轴晶的形貌，热影响区的组织发生不同程度的长大. 整个接头的铁素体含量维持在50% ～ 60%之间，且搅拌区的铁素体含量随着转速的升高而增加.

(3) 热影响区为接头硬度值较低位置，且搅拌区硬度随着转速增加呈现先增加后降低趋势.

(4) 当转速为 600 r/min，焊接速度为 50 mm/min时，接头的抗拉强度达到最大为824 MPa，为母材的97.3%，断裂位置为接头的热影响区.

参考文献：

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