本文研究了搅拌摩擦焊（FSW）从母材抗拉强度和钢板厚度方面应用于钢铁材料的适用性。以汽车用抗拉强度590-1180MPa级、厚度1.6mm的先进高强钢板为试验材料，对其相应的参数进行了调查。结果显示，随着钢板抗拉强度的增加，其适宜焊接条件范围变窄。对焊接接头性能的研究表明，抗拉强度不超过980MPa级钢板的搅拌摩擦焊接头的抗拉强度与母材相当。对厚度为12mm、抗拉强度为400MPa级的结构钢板进行搅拌摩擦焊，可以获得无缺陷的质量良好的焊接接头。对该焊接接头的力学性能调查显示，-40℃时搅拌区内部各位置的韧性不同，这应当归结于不均匀的组织演变。

1前言

搅拌摩擦焊（FSW）是在工件接合过程中不发生熔融的、低应变的接合方法。采用搅拌摩擦焊可以获得高质量的接合接头。搅拌摩擦焊在传统焊接方法难于接合的铝合金、镁合金等低熔点材料的接合方面进行了深入研究并得到广泛应用。目前，由于搅拌头的耐久性问题，搅拌摩擦焊在钢铁材料的应用方面没有取得进展。但由于传统焊接方法在焊接性、焊接接头性能以及焊接成本等方面存在一系列问题，所以期待搅拌摩擦焊成为解决这些问题的方法。目前已经发表了有关于IF钢、碳素钢和不锈钢搅拌摩擦焊的研究报告。其中，对碳含量不同的多种碳素钢的搅拌摩擦焊进行了大量研究，详细报告了搅拌摩擦焊条件变化时各个峰值温度、冷却速度等焊接热循环以及钢板碳含量等因素与焊接区微观组织的关系。

为使搅拌摩擦焊成为钢铁材料的实用化接合技术，除了搅拌摩擦焊的高效率和低成本（适用性），还必须使搅拌摩擦焊接头的性能达到规定要求（接头特性）。但目前对这些方面尚未进行充分研究。

本文的研究工作有两个方面，一是以搅拌摩擦焊用于高强度薄钢板接合为目的，对强度为590-1180MPa级汽车用高强度薄板进行搅拌摩擦焊，得出获得无缺陷接头的适宜焊接条件。在适宜焊接条件下制作搅拌摩擦焊接头，对接头的微观组织和力学性能进行评价；二是以搅拌摩擦焊用于大型结构物厚钢板接合为目的，对厚度为12mm的焊接结构用厚钢板进行搅拌摩擦焊，确定获得质量良好接头的适宜焊接条件，在适宜焊接条件下制作搅拌摩擦焊接头，对接头的微观组织和拉伸性能、夏比冲击特性进行评价。

2汽车用高强度薄板搅拌摩擦焊的试验研究

2.1试验方法

试验用钢板是厚度为1.6mm、抗拉强度为590-1180MPa级的四种汽车用冷轧薄板。表1是试验钢板的碳含量、碳当量和抗拉强度。碳当量CE按（1）式计算（以质量百分含量计）。

CE=C Si/24 Mn/6 Ni/ 40 Cr/5 Mo/4 V/14 （1）

四种试验钢板中，HT590是析出强化钢板，HT780、HT980、HT1180是双相钢（DP）钢板。

图1是搅拌摩擦焊的示意图。焊接接头长度是250mm，搅拌头旋转速度是200-600r/min，焊接速度是100-600mm/min，搅拌头向前倾斜3°。焊接线的两侧中，焊接方向与搅拌头旋转方向一致的一侧叫做前向边（Advancing side，AS），另一侧叫做后向边（Retreating side，RS）。图2是碳化钨（WC）搅拌头的形状。

对距焊接起点30mm、125mm、220mm三个位置的接头断面进行观察，检查是否有焊接缺陷，并用光学显微镜观察焊接区的微观组织。微观组织腐蚀液是苦味酸饱和水溶液或硝酸酒精溶液。

为了解搅拌摩擦焊接头的力学性能，进行了焊接接头断面硬度试验和拉伸试验。焊接接头断面硬度试验是用微型维氏硬度计（负荷1.96N）测定板厚中心位置的硬度，拉伸试样形状如图3，为使焊接区平滑化，对试样上下表面进行磨削，磨削后的试样厚度为1.0mm。

2.2试验结果与分析

图4是本试验得到的代表性搅拌摩擦焊接头的外观。采用本试验的焊接工艺，可获得表面性状良好的焊接接头。图5是不同焊接条件下的、距焊接起点220mm处的HT780搅拌摩擦焊接头断面的宏观组织（苦味酸饱和水溶液腐蚀）。其中有的焊接条件下焊接背面产生了焊接缺陷（图5圆圈所示部位），缺陷处的放大图像如图6。焊接缺陷是对焊接背面搅拌不足，原有对接面没有消失并残存下来的部分。将根据断面观察确认无缺陷的焊接条件作为适宜焊接条件。HT780、HT1180适宜的搅拌摩擦焊条件如图7。搅拌头转速为600r/min时，搅拌头在焊接中变形，所以不用观察焊接断面，就可将旋转速度为600r/min视为不宜焊接条件。

如图7（a）所示，在搅拌头旋转速度为200r/min、焊接速度为200mm/min条件下焊接HT780时，可以获得如图5（a）那样的无缺陷接头。但在搅拌头旋转速度为200r/ min、焊接速度为400mm/min条件下焊接HT780时，接头背面产生图5（b）和图6（a）那样的缺陷。其原因是，焊接速度增加，焊接热输入量减少，使搅拌区（SZ）缩小。比较图5（a）、（b）可知，焊接速度较大的图5（b）的SZ缩小了。搅拌头的旋转间距由（2）式定义。

搅拌头旋转间距（mm/r）=焊接速度（mm/min）/搅拌头转速（r/min） （2）

铝合金搅拌摩擦焊时，焊接热输入量随搅拌头旋转间距的增加而降低。对钢铁材料的搅拌摩擦焊也可以有同样的认识，即焊接速度加快，搅拌头旋转间距增加，焊接热输入量降低。

在搅拌头旋转速度

为400r/min、焊接速度为400mm/min条件下，搅拌摩擦焊接头没有产生缺陷（图5（c））。这种情况说明，搅拌头旋转速度增加，搅拌头旋转间距变小，焊接热输入量增大，可以在更高速度下进行焊接。搅拌头旋转速度为600r/min时发生的搅拌头损坏的原因是，搅拌头与钢板表面摩擦产生的热量过大，导致WC搅拌头软化。因此搅拌头旋转速度过快会引起搅拌头损坏。

如图7（b）所示，在搅拌头旋转速度为400r/min、焊接速度为400mm/min条件下焊接HT1180时，焊接接头产生了缺陷。这表明HT1180的适宜焊接条件范围小于HT780。原因是，钢板强度越高，钢板焊接区附近产生的对搅拌头压力的抗力越大，搅拌头前端的搅拌针插入的深度越小，即搅拌区变小，容易产生焊接缺陷。

虽然HT1180的适宜焊接条件范围小于HT780，但可以确定，两种强度级别的钢板都有自己的无缺陷的适宜焊接条件范围。

图8是在搅拌头旋转速度为200r/min、焊接速度为200mm/min条件下焊接HT780的焊接接头断面宏观组织（硝酸酒精腐蚀）。一般来说，搅拌摩擦焊接头可以分为搅拌区（SZ）、热机械影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）三个部分。但图8所示的断面宏观组织，由于微观组织特征的不同，分为搅拌区（SZ）、被加热到升温相变点Ac₁以上的热机械影响区/热影响区（TMAZ/HAZ＞Ac₁）和加热到Ac₁以下的热影响区（HAZ＜Ac₁）三个部分。各个部分的微观组织如图9。HT780是DP钢，母材组织是铁素体和马氏体的混合组织（图9（d）），SZ的组织与基体组织有很大不同，是铁素体、贝氏体和马氏体的非常微细的混合组织。可以认为，该区域在搅拌摩擦焊中被加热到Ac₁点以上，部分或全部发生奥氏体逆相变，在搅拌中一边发生大应变，一边冷却转变为铁素体、贝氏体和马氏体。SZ的外侧是，被加热到Ac₁点以上，局部发生应变的热机械影响区/热影响区（TMAZ/HAZ＞Ac₁）。该区域具有与SZ同样的组织（图9（b）），因此可以认为该区域在搅拌摩擦焊过程中的热循环与SZ的热循环相似。在TMAZ/HAZ＞Ac₁的外侧是被加热到Ac₁以下的热影响区（HAZ＜Ac₁），这个区域在焊接中未发生奥氏体逆相变，所以其光学显微镜观察的组织与母材组织相同（图9（c）），但由于母材的马氏体被回火，所以硬度显著下降。

图10是搅拌头旋转速度为200r/min、焊接速度为200mm/min条件下，HT780钢板焊接接头断面的硬度分布。SZ的硬度为HV255，与母材硬度基本相同，但TMAZ/HAZ＞Ac₁和HAZ＜Ac₁交接处附近，由于母材马氏体的回火，发生软化。

图11是搅拌头旋转速度为200r/min、焊接速度为200mm/min条件下，HT1180钢板焊接接头断面的硬度分布。SZ中心附近的硬度高于母材，但TMAZ/HAZ＞Ac₁到HAZ＜Ac₁区域的硬度显著小于母材。原因是，虽然HT1180钢板也是DP钢，但强度高于HT780，母材中的马氏体比例大，因此被加热到Ac₁以下时，母材中的马氏体回火量大于HT780，因此软化程度也大。

搅拌头旋转速度为200r/ min、焊接速度为200mm/ min条件下分别对HT590、HT780、HT980、HT1180进行搅拌摩擦焊，焊接接头的抗拉强度和母材抗拉强度的关系如图12。HT590焊接接头试样断裂于母材，说明HT590焊接接头抗拉强度与母材抗拉强度相同。HT780、HT980、HT1180焊接接头试样均断裂于HAZ。根据（3）式定义的焊接接头效率，得到的各钢板的焊接接头效率是： HT780=96%、HT980=95%、HT1180=84%。

焊接接头效率=接头抗拉强度（MPa）/母材抗拉强度（MPa）×100% （3）

从以上数据看出，虽然搅拌摩擦焊接头的HAZ有软化现象，但抗拉强度不大于980MPa级钢板的搅拌摩擦焊接头强度与母材基本相同。

3结构用厚钢板的搅拌摩擦焊

3.1试验方法

试验用厚度12mm、抗拉强度400MPa级的焊接结构用厚钢板的化学成分（mass%）见表2，表3是搅拌摩擦焊的焊接条件。试验使用的聚晶立方氮化硼（PCBN）搅拌头的形状如图13。

对距焊接起点50mm、225mm、400mm的三处搅拌摩擦焊接头断面进行观察，确定是否有缺陷，同时用显微镜观察搅拌区（SZ）、和热机械影响区/热影响区（TMAZ/ HAZ）的微观组织。使用的腐蚀剂是苦味酸水溶液或硝酸酒精。在板厚中心处进行微型维氏硬度试验（负荷4.9N），以评价焊接区的硬度。拉伸试样符合ISO 4136（JIS Z 3121）的规定，形状如图14。制作了两种试样，一种是焊接状态的原厚度试样，另一种是将原厚度试样的上下表面各磨削1mm，表面平滑的、厚度为10mm的试样。按照ISO/ DIS 148-1（JIS Z 2242）的规定制作夏比冲击试样。试样取自板厚中心，缺口位置分别为距焊接线中心向RS（后向边）一侧1mm、3mm（记作-1mm、-3mm）和距焊接线中心向AS（前向边）一侧1mm、3mm（记作1mm、3mm）。

3.2试验结果与分析

由试验钢板上距搅拌摩擦焊接起点225mm处焊接区断口的宏观组织可以看出，焊接区内没有未焊合等缺陷，获得了良好的焊接接头。焊接区可划分为搅拌区（SZ）、热机械影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）三个区域。图15是搅拌摩擦焊接接头的硬度分布。SZ的硬度高于母材，SZ内部的前向边的硬度高于后向边，SZ内部硬度变化起因于相应部位微观组织的不同。焊接状态的原厚度试样和磨削为10mm厚度试样的断裂位置都在母材。图16是缺口位置为-3mm、-1mm（RS）、1mm、3mm（AS）的搅拌摩擦焊接头夏比冲击试验结果，图中虚线是-40℃的母材平均吸收功。试验温度为-20℃时，各个位置缺口的焊接接头试样的冲击吸收功都大于母材平均吸收功，表明搅拌摩擦焊接头具有良好的韧性。在试验温度为-40℃的更苛刻条件下，缺口在AS的试样冲击吸收功与母材平均吸收功相当，缺口在RS的试样冲击吸收功小于母材平均吸收功。图18是对应于上述四个缺口位置的焊接接头的微观组织。-3mm、-1mm（RS）处的焊接接头的主体微观组织是晶界多边形铁素体（GPF）和铁素体侧片（FSP）等晶界铁素体。1mm、3mm（AS）处的焊接接头的主体微观组织是晶界铁素体和晶内微细的针状铁素体（IAF）。综上所述，试验温度为-20℃时，SZ内的各个部位都具有良好的韧性。试验温度为-40℃时，SZ内不同部位的冲击吸收功不同，原因是微观组织不同造成的韧-脆转变温度不同。

4结论

对厚度为1.6mm、抗拉强度为590-1180MPa级高强度薄钢板进行搅拌摩擦焊试验，得出以下结论。

1）确定了HT780和HT1180钢板的搅拌摩擦焊适宜焊接条件。虽然HT1180钢板的适宜焊接条件范围小于HT780钢板，但确认了HT1180钢板也存在适宜的搅拌摩擦焊焊接条件。

2）根据HT780搅拌摩擦焊接头的微观组织和硬度分布可知，搅拌摩擦焊接头的焊接区可划分为搅拌区（SZ）、加热到Ac₁以上的SZ以及周围被加热到Ac₁以上的热机械影响区/热影响区（TMAZ/ HAZ＞Ac₁）和被加热到Ac₁以下的热影响区（HAZ＜Ac₁）等三个区域。这三个区域的微观组织不同。

3）抗拉强度不超过980MPa级钢板的搅拌摩擦焊接头的抗拉强度与母材相当。对焊接条件进行控制，可以提高抗拉强度超过980MPa级钢板的搅拌摩擦焊接头的抗拉强度。

对厚度为12mm、抗拉强度为400MPa级结构用厚钢板进行搅拌摩擦焊试验，得出以下结论。

1）对厚度为12mm、抗拉强度为400MPa级结构用厚钢板进行搅拌摩擦焊接可以获得无缺陷的质量良好的焊接接头。

2）厚度为12mm、抗拉强度为400MPa级厚钢板搅拌摩擦焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材，说明搅拌摩擦焊接接头抗拉强度与母材相当。

3）-20℃时，厚度为12mm、抗拉强度为400MPa级厚钢板搅拌摩擦焊接接头的SZ内部各部位具有均匀良好的韧性。-40℃时，SZ内部各部位的夏比吸收功不同，原因是SZ内部各位置的微观组织不同造成的韧-脆转变温度不同。 （唐佩绵）