异种不锈钢搅拌摩擦焊接研究现状

随着热能工业、船舶、航空航天、超临界水利用等领域的飞速发展，人们对新材料和新工艺的要求也越来越高，在材料方面人们既希望获得更高的性能也希望保持性能的前提下降低制造成本。为满足产品价值需求，同种材料的连接使用已不能完全满足实际生产，而异种材料连接可以充分利用各材料的优势，取长补短，在保证高性能的同时降低成本，这为异种材料连接带来广泛的应用前景，也为新的异种材料连接工艺发展创造了良好条件。且近年热能工业、核电发展迅速，材料的耐蚀性、耐氧化性问题变得尤为突出，实际生产中高腐蚀、氧化条件下常用不锈钢材料。不锈钢是铬的质量分数不低于10.5%的高合金钢，以Fe-Cr、Fe-Cr-C和Fe-Cr-Ni为合金系。不锈钢的耐腐蚀及耐氧化性主要来源于铬，在最低铬含量之上的钢，表面能形成连续致密的惰性氧化膜，从而阻碍空气或腐蚀介质等进入内层金属腐蚀和氧化。在腐蚀和氧化方面，常用的不锈钢有的有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢在氯化物环境中具有很好的耐应力腐蚀、耐点蚀能力且价格较低；奥氏体不锈钢强度高、低温冲击韧性好、耐大气腐蚀和耐高温腐蚀能力高。这两种金属的连接既能获得两种金属优越的耐蚀性能也能较好的控制制造成本。因此铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢之间的连接能较好适应现代工业的生产需求。

采用传统焊接工艺对异种不锈钢焊接时会产生很多问题。例如，铁素体不锈钢在焊接热循环作用下易发生脆化，加热到950℃以上区域冷却下来后，在晶间易产生腐蚀；奥氏体不锈钢焊接凝固期存在较大拉应力，易产生热裂纹，凝固后易产生方向性强的柱状晶，导致有害杂质偏析。由于传统熔焊的局限性，在不锈钢焊接以及异种金属焊接方面变得捉襟见肘，从而限制了不锈钢的应用。目前较为热门的异种金属连接工艺有扩散焊、搅拌摩擦焊、高频感应焊、钎焊等，这些工艺已广泛应用于核电、航空、船舶、汽车等领域。

1991年英国焊接研究（TWI）所提出了一种新颖的固相连接技术：搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）。搅拌摩擦焊与传统熔化焊相比，焊接过程中产生的热量仅仅使被焊金属达到塑性状态，而没有达到熔点，因此可以用于满足熔焊难以焊接的场景，如焊接铝、镁合金、焊接异种金属等。相比传统熔焊，搅拌摩擦焊接头机械性能良好、焊接变形小、焊接缺陷小、厚板可一次成型、无需焊前准备、焊接过程绿色环保、耗材少、自动化程度高等。这些优点克服了传统熔焊工艺的缺陷，也适应了当今生产制造：绿色、环保、高自动化的潮流，为不锈钢焊接提供了一条极具发展潜力的途径。近年，低、熔点铝镁及其合金的搅拌摩擦焊接比较热门，技术趋向成熟，而国内外对高熔点不锈钢的搅拌摩擦研究较少。

Lee等人通过显微观察了AA6056铝合金和304SS的搅拌摩擦焊接头，探究其界面特性及金属流动情况。

Uzun等人探究了6013-T4 Al和X5CrNi18-10搅拌摩擦接头不同区域的微观结构，各相之间扩散情况，力学性能，疲劳性能等，对异种金属搅拌摩擦焊接头进行综合性评价。

Ogura等人采用1200rpm的转速和200mm/min焊接速度对A3003-H112铝合金和SUS304板进行搅拌摩擦焊接，研究发现在两种材料机械合金化和扩散共同作用下，形成了纳米级的无定型界面层。这种界面层在改变焊接参数时消失。研究假设，在搅拌头的热机械作用下，接头形成Al 2 O 3和（Fe，Ni）CrO 4之间的混合非晶层，随着摩擦时间增长和较高的转速下产生大量的热，结晶金属间化合物（IMC）形成中发生层转变。Park等人分别采用搅拌摩擦焊接工艺对6mm和2mm厚的304不锈钢进行焊接，并对接头微观组织进行了研究。接头组织由母材区、热力影响区和搅拌区组成，热影响区较窄。研究结果表明，SZ和TMAZ组织发生了动态再结晶和回复，晶粒细化显著，晶粒尺寸远小于母材。6mm厚的304不锈钢的搅拌区组织晶界析出了σ相，这与奥氏体转变为δ铁素体有关；2mm厚的304不锈钢FSW接头，由于前进侧材料受高温和高速率应变的作用，局部发生了奥氏体向铁素体的转变，前进侧的搅拌区有铁素体相析出；前进侧的搅拌区与热力影响区的交界处产生了隧道型孔洞缺陷。

王希靖等人对3 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板进行了搅拌摩擦焊对接焊，热影响区组织再结晶不完全，组织不均匀，热力影响区前进侧与后退侧组织发生不同程度变形，焊核区产生动态再结晶，组织均匀细化。在搅拌头旋转速度600 r/min，焊接速度70mm/min下，焊核区的硬度比母材提高了22%，接头的拉伸强度达到412 MPa。

石青对443铁素体不锈钢与304不锈钢进行搅拌摩擦焊接，通过对接头显微组织、物相组成、力学性能及腐蚀性能等进行了综合性测试研究。