焊接参数对铁素体不锈钢搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

铁素体不锈钢(FSS)具有比奥氏体不锈钢更低的成本及优异的耐局部腐蚀性能，是一种节镍环保经济型材料，近年来在汽车、建筑、家电及能源化工等领域得到广泛应用，展现出无限的发展前景[1-2]。但是FSS采用熔焊方法焊接，存在热影响区晶粒粗大、接头脆化倾向严重、焊缝塑韧性较差等限制其大规模发展的问题[3]。

搅拌摩擦焊接是一种新型绿色固相焊接技术，热输入较低、焊件变形小、不需要填充材料、可避免使用传统熔焊方法产生的大多数缺陷等优点[4-7]。目前, 随着耐高温耐磨损搅拌工具材料的开发，该项技术已实现不锈钢、钛合金及耐热钢等高熔点金属的焊接，并且在使用传统熔焊方法焊接存在较多问题或难以焊接的高熔点材料方面展现出优势。但是与铝等轻质合金相比，钢的搅拌摩擦焊接工艺实验更为复杂。一是因为不同钢种的化学成分及所含合金元素具有多样性，固态相变也十分复杂；二是因为不同材料搅拌工具的热传导系数、耐磨损性能及与钢材的接触界面摩擦因数均具有一定差异，很难归纳出具有较普遍适用的工艺参数范围。

国内外学者针对FSS的FSW技术已经开展了一些研究。Park等[3]研究了430 FSS的FSW接头的组织演变特征和力学性能，发现焊核区由于生成马氏体和细化的铁素体，强度显著高于母材，但断后伸长率仅达到母材的50%。Lakshminarayanan等[8]的研究表明，409M FSS的FSW接头能够保持良好的塑韧性。Cho等[9]发现409 FSS的FSW接头焊核区组织得到显著细化，且焊缝不会形成σ相。Bilgin等[10]的研究表明，搅拌工具的转速和焊接速率等焊接参数对430 FSS的FSW接头组织和力学性能有不同程度的影响。Han等[11]研究了18Cr-2Mo FSS的FSW接头组织特征和力学性能，发现搅拌区小角度晶界显著增加，且接头具有相对优异的冲击韧性。但是上述研究未对FSS的FSW接头低温韧性进行评价，并且实验钢种主要集中在409和430等传统FSS，而对于通过成分优化获得的新型低碳FSS的FSW研究报道较少。

本工作选择钨铼合金(W-25%Re)搅拌工具对T4003超纯FSS进行FSW工艺实验，研究焊接参数对接头组织特征及常温和低温冲击韧性的影响规律，为FSS的FSW技术实现工程化应用提供重要依据。

实验板材为4mm厚T4003 FSS，其化学成分如表 1所示。将其加工成尺寸为200mm×200mm的试样，焊接设备为FSW-RL31-010型搅拌摩擦焊机。搅拌工具的转速ω为150，250r/min, 焊接速率v为80，120mm/min。使用W-25%Re搅拌工具，轴肩端面为内凹形，搅拌针为锥形平面。轴肩直径为15mm，搅拌针根部直径为5.14mm，顶端直径为4.20mm，长为2.5mm。

为观察接头微观组织，沿垂直于焊缝方向制备尺寸为25mm×10mm的金相试样，经打磨、抛光后采用维列拉腐蚀剂(苦味酸1g+盐酸5mL+酒精100mL)进行腐蚀处理。采用OLYMPUS GX51光学显微镜和Hatchis-4800扫描电镜进行接头组织特征观察; 采用截线法统计焊接接头搅拌区(stir zone, SZ)的晶粒平均尺寸；采用HVS-1000型数显显微硬度计对焊缝区显微硬度进行测试，载荷为0.98N，加载时间为15s。V型缺口冲击韧度试样的加工尺寸为55mm×10mm×2.5mm，为得到设计厚度，试样从焊板下表面磨掉1mm左右，从焊板上表面磨掉0.5mm左右，V型缺口分别开在接头热影响区和焊缝中心处，其张开方向与焊缝平行，冲击试样尺寸如图 1所示。实验仪器为ZBC2752型摆锤试验机，实验温度分别为20℃和-20℃。

图 2为T4003不锈钢FSW接头宏观形貌(ω = 250r/min，v = 120mm/min)，黑色实线表示搅拌针静态位置。可见焊接接头主要包括焊缝区和母材区(base materials，BM)，焊缝区又可分为SZ，TMAZ和HAZ。图 2中a，c分别表示SZ顶部(距焊缝表面1mm)和中部(距焊缝表面2mm)的区域，b为前进侧(advancing side，AS)TMAZ与HAZ的过渡区域，d为AS的TMAZ，e为BM。

文献证实[8-9,12]，K因子(Kaltenhauser factor)能够较准确地预测铁素体不锈钢FSW接头SZ的铁素体(Ferrite，F)含量。计算公式为：

实验表明[8-9]：当K≤7.5时，焊缝中几乎不形成铁素体。由式(1)计算得T4003不锈钢的K因子为7.06(