304430异种不锈钢搅拌摩擦焊接头工艺和性能研究【字数：13109】
本文采用搅拌摩擦焊技术对430奥氏体与304铁素体异种不锈钢进行了焊接。分析了旋转速度不同对焊缝形貌、接头组织结构、力学性能以及耐腐蚀性能产生的影响。结果表明随着接头转速的增加，热输入量增加，材料的流动性得到增强。焊接速度为30 mm/min，采用旋转速度为900 rpm时，获得成形较好的接头，搅拌区铁素体与奥氏体不锈钢混合均匀，晶粒细小，实现良好的机械和冶金结合。所有接头中，热力影响区硬度大于相应的基体金属，搅拌区的硬度最大，转速为700 rpm搅拌区的硬度平均值为413.38 HV，最大可达550.44 HV。随着接头转速的增加，抗拉强度与伸长率均是呈先增加后减小的趋势，当旋转速度为900 rpm时，抗拉强度与伸长率最大，分别达到了400.96 MPa和12.46 %，此转速下拉伸试样断于铁素体不锈钢一侧，断口呈现韧性断裂特点。对焊接接头的耐腐蚀性能，从极化曲线得知，搅拌区发生腐蚀的趋势最大，304不锈钢次之，然后是430不锈钢；从阻抗谱得知，304不锈钢发生腐蚀的趋势最大，搅拌区次之，最后为430不锈钢。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 搅拌摩擦焊原理 1
1.3 搅拌摩擦焊的特点 2
1.4 搅拌摩擦焊研究现状 2
1.5 异种不锈钢连接技术研究现状 3
1.6 研究内容及方法 4
2. 实验材料、工艺及方法 5
2.1 实验材料 5
2.2 焊接工艺 5
2.2.1 实验准备 5
2.2.2 搅拌头的选择 6
2.2.3 工艺参数的选择 6
2.2.4 焊接过程 6
2.3 实验方法 7
2.3.1金相制备 7
2.3.2力学性能测试 8
2.3.3耐腐蚀性能测试 9
3. 异种不锈钢接头的接头形貌与组织 11
3.1接头的表面形貌 11
3.2接头的宏观结构 11
3.3接头的显微组织 13
4. 异种不锈钢接头的力学性能 15
4.1焊接接头的硬度测试 15
4.2焊接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
接头的拉伸性能 16
5. 异种不锈钢接头的电化学耐腐蚀性能 20
5.1极化曲线测试结果 20
5.2电化学交流阻抗测试结果 21
6. 结论 22
参考文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
铁素体不锈钢由于含少量镍元素，价钱成本较低，且具有良好的耐腐蚀性能，故而被广泛运用于建筑装饰方面、家用器具、家电部件等；奥氏体不锈钢由于强度低、塑性好、低温及耐腐蚀性能好等特色，故被广泛运用于医疗机械及石油化工等[1,2]。因此铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接可充分的利用到铁素体不锈钢价钱成本低、耐腐蚀性能好，奥氏体不锈钢塑性、韧性、高温稳定性好等优点。采用传统的熔化焊进行异种钢焊接时会产生一些问题，如杂质偏析导致高温热裂纹的产生、热影响区晶粒粗化、冷却后形成脆硬的贝氏体和马氏体从而导致接头强度和韧性的降低，因此本实验采用搅拌摩擦焊作为异种不锈钢的焊接方式。
搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接方式，焊接过程中热循环作用较低而减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性，可一定程度上降低熔焊焊接不锈钢时产生的缺陷。在国内外已有的有关搅拌摩擦焊的实验研究及文献报道中，绝大部分是对铜镁铝等低熔点合金进行研究的，近年来开始对钢、钛等高熔点材料进行搅拌摩擦焊特别是同种不锈钢焊接，并取得了一定的研究成果，但异种不锈钢接头的组织演变和材料流动比较复杂。本文通过研究不同接头转速下异种不锈钢搅拌摩擦焊接头的组织和性能，比较哪一种转速最为合理，性能最为优良。
1.2 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊是用摩擦热与塑性变形热作为热源，由一个圆柱体状的搅拌针伸入试样的接头缝隙处，通过搅拌头的高速旋转，使其与焊接试样材料摩擦，并结合搅拌头对焊缝金属的挤压，使接头材料的温度升高而软化，形成塑性的金属流，因搅拌作用填充到后方空腔中，随着金属冷却凝固实现金属材料间的固相连接技术[3]。在焊接过程中试样在背垫上进行刚性固定，焊接时搅拌头在进行高速旋转的同时，还要沿着试样的缝隙与试样进行相对移动。搅拌头的针头部伸进试样的内部进行摩擦与搅拌，其轴肩部位压在试样表面进行摩擦产生热量，轴肩可以避免塑性流动状的金属材料溢出，同时又可以起到清除表面氧化膜的作用。搅拌摩擦焊原理图如图1.2所示。
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图1.2 搅拌摩擦焊原理图
1.3 搅拌摩擦焊的特点
本实验采用的是搅拌摩擦焊来实现铁304/430异种不锈钢对接的方式进行焊接，由于搅拌摩擦焊焊接过程中热输入量与熔焊相比较来说较小，因此接头部位的金属不是熔化状态而是固相连接，故而能保证母材的冶金性能[4]。其主要优点如下：
（1）焊缝区的力学性能较高；
（2）因为热输入量比熔焊小，焊接接头的变形也小，残余应力较低，因而产生的缺陷少；
（3）能一次性完成不同位置且焊缝比较长的焊接接头；
（4）焊接过程操作简单，方便实现机械化与自动化，能耗低、效率高，对焊接所需的环境要求低；
（5）耗材少，不需要添加焊丝与保护气体，因此其成本低；
（6）可以焊接对热裂纹敏感的材料，并且适合异种材料焊接；
（7）焊接过程安全环保，无烟尘、辐射、弧光和飞溅等，工作环境好。
搅拌摩擦焊也存在一定的缺点：
（1）焊接工件必须要刚性固定，底面应有垫板；
（2）焊接结束时搅拌头会在焊缝结束的地方形成一个孔洞，并且难以对其进行修补；
（3）无法对较小且精细的零件进行复杂焊缝的焊接；
（4）缺少全国通用的相应焊接标准；
（5）对试样进行焊接时，焊接速度不高；
（6）搅拌头的磨损消耗太快。
1.4 搅拌摩擦焊研究现状
由于国内外对不锈钢搅拌摩擦焊的研究不是很多，只是对304不锈钢进行初步的研究，因此不锈钢搅拌摩擦焊在未来的发展中是一个新兴技术。目前搅拌摩擦焊的研究主要是在铜镁铝材料上进行，但是不锈钢等材料也已经开始开发研究逐渐兴起，并在某些场合进行了应用。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 搅拌摩擦焊原理 1
1.3 搅拌摩擦焊的特点 2
1.4 搅拌摩擦焊研究现状 2
1.5 异种不锈钢连接技术研究现状 3
1.6 研究内容及方法 4
2. 实验材料、工艺及方法 5
2.1 实验材料 5
2.2 焊接工艺 5
2.2.1 实验准备 5
2.2.2 搅拌头的选择 6
2.2.3 工艺参数的选择 6
2.2.4 焊接过程 6
2.3 实验方法 7
2.3.1金相制备 7
2.3.2力学性能测试 8
2.3.3耐腐蚀性能测试 9
3. 异种不锈钢接头的接头形貌与组织 11
3.1接头的表面形貌 11
3.2接头的宏观结构 11
3.3接头的显微组织 13
4. 异种不锈钢接头的力学性能 15
4.1焊接接头的硬度测试 15
4.2焊接 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
接头的拉伸性能 16
5. 异种不锈钢接头的电化学耐腐蚀性能 20
5.1极化曲线测试结果 20
5.2电化学交流阻抗测试结果 21
6. 结论 22
参考文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
铁素体不锈钢由于含少量镍元素，价钱成本较低，且具有良好的耐腐蚀性能，故而被广泛运用于建筑装饰方面、家用器具、家电部件等；奥氏体不锈钢由于强度低、塑性好、低温及耐腐蚀性能好等特色，故被广泛运用于医疗机械及石油化工等[1,2]。因此铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢的异种钢焊接可充分的利用到铁素体不锈钢价钱成本低、耐腐蚀性能好，奥氏体不锈钢塑性、韧性、高温稳定性好等优点。采用传统的熔化焊进行异种钢焊接时会产生一些问题，如杂质偏析导致高温热裂纹的产生、热影响区晶粒粗化、冷却后形成脆硬的贝氏体和马氏体从而导致接头强度和韧性的降低，因此本实验采用搅拌摩擦焊作为异种不锈钢的焊接方式。
搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接方式，焊接过程中热循环作用较低而减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性，可一定程度上降低熔焊焊接不锈钢时产生的缺陷。在国内外已有的有关搅拌摩擦焊的实验研究及文献报道中，绝大部分是对铜镁铝等低熔点合金进行研究的，近年来开始对钢、钛等高熔点材料进行搅拌摩擦焊特别是同种不锈钢焊接，并取得了一定的研究成果，但异种不锈钢接头的组织演变和材料流动比较复杂。本文通过研究不同接头转速下异种不锈钢搅拌摩擦焊接头的组织和性能，比较哪一种转速最为合理，性能最为优良。
1.2 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊是用摩擦热与塑性变形热作为热源，由一个圆柱体状的搅拌针伸入试样的接头缝隙处，通过搅拌头的高速旋转，使其与焊接试样材料摩擦，并结合搅拌头对焊缝金属的挤压，使接头材料的温度升高而软化，形成塑性的金属流，因搅拌作用填充到后方空腔中，随着金属冷却凝固实现金属材料间的固相连接技术[3]。在焊接过程中试样在背垫上进行刚性固定，焊接时搅拌头在进行高速旋转的同时，还要沿着试样的缝隙与试样进行相对移动。搅拌头的针头部伸进试样的内部进行摩擦与搅拌，其轴肩部位压在试样表面进行摩擦产生热量，轴肩可以避免塑性流动状的金属材料溢出，同时又可以起到清除表面氧化膜的作用。搅拌摩擦焊原理图如图1.2所示。
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图1.2 搅拌摩擦焊原理图
1.3 搅拌摩擦焊的特点
本实验采用的是搅拌摩擦焊来实现铁304/430异种不锈钢对接的方式进行焊接，由于搅拌摩擦焊焊接过程中热输入量与熔焊相比较来说较小，因此接头部位的金属不是熔化状态而是固相连接，故而能保证母材的冶金性能[4]。其主要优点如下：
（1）焊缝区的力学性能较高；
（2）因为热输入量比熔焊小，焊接接头的变形也小，残余应力较低，因而产生的缺陷少；
（3）能一次性完成不同位置且焊缝比较长的焊接接头；
（4）焊接过程操作简单，方便实现机械化与自动化，能耗低、效率高，对焊接所需的环境要求低；
（5）耗材少，不需要添加焊丝与保护气体，因此其成本低；
（6）可以焊接对热裂纹敏感的材料，并且适合异种材料焊接；
（7）焊接过程安全环保，无烟尘、辐射、弧光和飞溅等，工作环境好。
搅拌摩擦焊也存在一定的缺点：
（1）焊接工件必须要刚性固定，底面应有垫板；
（2）焊接结束时搅拌头会在焊缝结束的地方形成一个孔洞，并且难以对其进行修补；
（3）无法对较小且精细的零件进行复杂焊缝的焊接；
（4）缺少全国通用的相应焊接标准；
（5）对试样进行焊接时，焊接速度不高；
（6）搅拌头的磨损消耗太快。
1.4 搅拌摩擦焊研究现状
由于国内外对不锈钢搅拌摩擦焊的研究不是很多，只是对304不锈钢进行初步的研究，因此不锈钢搅拌摩擦焊在未来的发展中是一个新兴技术。目前搅拌摩擦焊的研究主要是在铜镁铝材料上进行，但是不锈钢等材料也已经开始开发研究逐渐兴起，并在某些场合进行了应用。
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