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蒙乃尔K500合金摩擦焊工艺研究

Monel K500 是一种具有高强度、耐腐蚀和无磁性特性的合金。 主要用于泵轴和阀杆、输送机刮板等。Monel K500合金不仅具有高强度、耐腐蚀、非磁性等优异的机械性能，而且具有与Monel 400相同的耐腐蚀性能。可作泵轴材料，适用于高含硫、高含蜡油层恶劣地质开采条件下工作。 由于该合金无塑脆转变温度，非常适用于各种低温设备。 该合金主要用于泵轴和阀杆、输送机刮板、油井钻环、弹性件、阀垫等。适用于石油、化工、造船、制药、电子等部门。 化学成分该合金的化学成分与Monel 400大致相同，最大的不同是含有2.3-3.15%的Al和0.30-1.00%的Ti。 该合金的显微组织除弥散的Ni3(A1、Ti)析出相外，其余与蒙乃尔400合金相同。

成分（重量％）：

C Ni Al Ti Fe Si Mn S Cu

≤0.25 ≥63.0 2.30~3.15 0.35~0.85 ≤2.0 ≤0.5 ≤1.5 ≤0.01 27.0~33.0

力学性能 该合金无塑脆转变温度，非常适用于制造各种低温设备。 焊接可以提高合金的强度，但会降低合金的塑性。 因此，为了保持较高的塑性，Monel K500合金在焊后需要进行热处理。

相关性能 抗拉强度 935/1275 (MPa) 屈服强度 655/1103 (MPa) 延伸率 10/20 (%) 硬度 255/370 (HB) 对应数据

特征：

Monel K500，也称为 UNSN05500，具有与 Monel 400 相同的耐腐蚀性，但具有更高的冲击韧性和强度。

高温合金以其优良的高温性能、热稳定性和耐腐蚀性能广泛应用于航空、航天、船舶、发电、电力、机车、石油和化工等行业。 高温合金的强化可概括为三种基本强化机制：固溶强化、第二相强化和晶界强化。 镍基高温合金的典型组织基本上是合金化的奥氏体基体和分散在基体中的强化相。 强化相可以是碳化物或金属间化合物相。 镍基高温合金的供货状态一般为固溶+时效状态，根据不同的应用要求，有时也以轧制等其他状态供货。 摩擦焊是通过加压和加热（即热机械加工）使接触面产生塑性变形、表面活化、扩散和再结晶以及“体”相互作用而形成焊接接头。 其基本特征是固态焊接，即被焊材料在焊接过程中不熔化焊接接头弯曲试验方法，仍处于固态，焊缝为锻造结构。 因此，焊接区不会产生粗大柱状晶、偏析、晶裂、气孔等与熔化、凝固冶金有关的焊接缺陷和焊接脆化现象； 其次，在轴向压力和摩擦力矩的共同作用下，在这些条件下，摩擦焊表面和近表面产生一定的机械和冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布、“自组织”等。摩擦焊接表面的清洁”效果，非常有利于获得牢固的焊接接头。 本文研究了蒙乃尔 K500 合金在摩擦焊接工艺条件下的一些冶金行为、摩擦焊接性能。 通过超声波探伤、宏观和微观金相分析、室温拉伸试验和拉伸断口电子金相分析等方法对上述合金摩擦焊接接头的摩擦焊接性能进行了评价。研究形式

结果表明，无焊缝

缺陷，焊接金相组织良好，焊接区强度系数符合要求

焊接接头精度高，焊件同轴度高。

2 次试验

2.1 试件材质及尺寸

研究中使用的试件材料为蒙乃尔K500合金，其化学性质

成分见表1。上述合金试件尺寸为Φ25.4×

300+Φ25.4×300(mm)，待焊面经车削加工。

为了严格控制焊件的同心度精度，所有

仔细测量用于焊接试验的试件的椭圆度和曲率。

合理数量的匹配组合。

2.2 焊接设备及焊接参数

焊接试验在现有的C25连续驱动摩擦焊机上进行，配备CMC80+CASIO FP1100二级工业计算机测控系统，可实时检测摩擦焊扭矩、轴向压力、主轴转速和轴速时间。 轴向缩短等焊接参数随时间的变化历程，具有轴向缩短定值控制、摩擦加热压力恒压控制、镦锻焊接压力等测控功能。

2.3 测试方法

摩擦焊后，采用德国USIP-11超声波探伤仪对焊件进行水浸检测； 然后沿焊接接头的轴向切割，将金相试样研磨并浸入上述腐蚀剂中，检查其宏观缺陷。 结构：H2SO410ccl + KmnO4 10g + H2O90cc 热酸溶液：25%HNO3 + 75%HCI 蚀刻后，用Neophot-Ⅱ金相显微镜观察试样的显微组织。 试样轴向硬度分布采用日本松泽株式会社FM-7显微硬度计测量（载荷：500g蒙乃尔K500合金）。 摩擦焊接头按《金属拉伸试验试样》（GB6397-86）机加工成d0为Φ10mm、有效长度为5d0+5的标准拉伸试样。 焊接面置于试件中间，拉伸试验按《金属拉伸试验方法》（GB3714-87、GB228-87）进行。 采用SEM505扫描电镜观察拉伸试样的断口形貌。

3 测试结果

3.1 焊接质量

超声波探伤结果表明，Monel K500合金摩擦焊接接头无焊接缺陷波形显示，焊接质量良好。

3.2 焊接区和热影响区的宏观组织

蒙乃尔K500合金摩擦焊接头焊接区组织致密，未发现未焊合、夹杂、裂纹等焊接缺陷。 焊接界面比较平直，热影响区与相邻特征区的交界边缘呈对称的“K”弧形，金属流线不明显。

3.3 焊瘤形貌

图1是Monel K500合金摩擦焊闪光形貌的宏观照片。 合金焊闪光金属表面光滑平整。

3.4 焊接接头轴向硬度分布

Monel K500合金摩擦焊接接头（焊接状态）沿轴向的维氏硬度分布曲线示例如图2所示。

从图中可以看出蒙乃尔K500合金焊接接头焊接区的硬度值介于热影响区的低值和高值之间，焊接区和热影响区的硬度区低于合金母材。

3.5 晶粒结构

蒙乃尔K500合金摩擦焊接接头各特征区晶粒轴向分布如图3所示。摩擦焊接接头焊接区和近区晶粒尺寸均匀适中，一般为7.5级，呈等轴状，略有变形。 热影响区，特别是母材附近的晶粒比较粗大，一般为5-6级，沿轴向延伸，呈扁平变形晶形。 未发现粗细晶带和混晶。

3.6 焊态组织

Monel K500合金摩擦焊接头显微组织如图4所示

蒙乃尔K500合金摩擦焊接接头的显微组织是在γ-奥氏体基体中，合金碳化物呈白色晶粒链状沿晶界分布，合金碳化物呈白色晶粒状分布在奥氏体中谷物和

和其他金属间化合物强化相。

3.7 拉伸试验

表 3 显示了蒙乃尔 K500 合金摩擦焊接接头的拉伸试验（室温下）的结果。 图5为拉伸试样断口的宏观形貌，为杯锥形塑性断口。

3.7 拉伸试验

表 3 显示了蒙乃尔 K500 合金摩擦焊接接头的拉伸试验（室温下）的结果。 图5为拉伸试样断口的宏观形貌，为杯锥形塑性断口。

4 分析与讨论

4.1 关于摩擦焊区晶粒细化现象

如上所述，Monel K500合金的摩擦焊区和焊区附近的晶粒组织一般具有细晶组织的特点。 从塑料加工的角度来看，在摩擦焊接热机械作用条件下，摩擦焊接过程是一个涉及热、力和冶金现象相互作用的复杂过程，具有动力学、高温和大变形的特点。 摩擦焊区发生强烈的啮合、粘结、剪切和撕裂作用，使摩擦面及其附近的温度急剧升高焊接接头弯曲试验方法，剪切强度相应降低； 同时，在摩擦力矩的作用下，摩擦面附近区域也发生剧烈的扭转塑性变形，位错密度大大增加，使该区域的金属充分变形，晶格发生扭曲，致畸变能增大，动态再结晶驱动力增大，有利于动态再结晶。 结晶的进行和完善使得焊区及焊区附近容易获得比较完整的动态再结晶组织，晶粒细化，其形状一般为等轴状。

4.2 摩擦焊接接头（焊接状态）各特征区域硬度值不同的原因摩擦焊过程中焊接接头的特征区域变形温度、变形速度和变形程度都不同。 相对而言，由于强化相的动态再结晶和固溶作用，焊接区的软化程度通常高于热影响区，而变形强化效果的保留部分低于热影响区. 因此，一般情况下，焊接区的硬度低于热影响区的硬度。 在本研究确定的合金材料及其焊前工艺条件和焊接工艺条件下，由于上述软化机理，焊接区和热影响区的硬度值均低于母材。

4.3 焊接参数的优化选择

本研究首先考虑了对焊件同心度精度控制的要求，同时也考虑了对焊接区抗拉强度的要求。 文中列出的焊接参数组合相对优化，即采用MonelK500合金试件M7的焊接参数组合。

5 结论

① 在本研究确定的合金材料和焊接工艺条件下，为兼顾焊件同心度精度和焊接区抗扩散强度的综合要求，选取相对优化的摩擦焊参数为： Monel K500合金，主轴转速1450r/min，摩擦加热压力180MPa，摩擦加热时间3s，镦锻压力330MPa，轴向缩短10.5mm。

②采用相对优化的摩擦焊参数，保证焊接区100%焊接，摩擦焊接头无粗大夹杂、裂纹等焊接缺陷。 蒙乃尔K500合金焊缝区强度系数可达85.5%。