搅拌摩擦焊高磷耐候钢的组织与力学性能

由于使用时间长、环境恶劣，现有的钢桥、石油钻机和船舶等钢结构都经历了严重的老化过程为了提高钢的防腐性能，在钢中添加了包括Cu、Cr和P在内的合金元素，形成了能够在母材表面产生致密的铁锈所谓的耐候钢。其特点是比普通低碳钢具有更高的磷含量。但是增加磷含量通常会导致更高的热脆性，不利于耐候钢的焊接性。

为了防止焊接过程中出现热裂纹，传统耐候钢中的磷含量以及板厚、热输入和熔透率也受到严格控制。日本工业标准委员会提出的耐候低碳钢的设计重量百分比P通常低于0.15%。对于海上等腐蚀性环境中的钢结构，现有的耐候钢可能无法满足防腐性能的要求。

日本大阪大学焊接研究所Wang等研究了A₁温度以下不同的磷含量的高磷钢搅拌摩擦焊接接头的微观结构和机械性能。其中三种钢的P含量（0.10 %、0.28 %、0.32 %+Ni、Cr、 Nb）。使用碳化钨搅拌头以80 rev min^-1的顺时针转速，150 mm min^-1的焊接速度进行焊接。

三种钢的母材均为铁素体和珠光体，搅拌区可观察到细粒铁素体和渗碳体。其中3号钢由于合金元素（Ni、Cr、 Nb）的添加珠光体和渗碳体明显细化。

图1 3号钢显微组织

1号钢和2号钢的显微硬度大于传统耐候钢，3号钢的显微硬度大于1号钢和2号钢，可见P和合金元素（Ni、Cr、 Nb）都能够增加钢的硬度。

图2 显微硬度测试结果

力学性能实验中三种钢的焊接接头焊缝基本不变形，主要是母材部分发生变形，使用搅拌摩擦焊可以实现三种高磷钢100%的焊接接头系数，并且3号钢具有最高的强度和良好的韧性。

图3 接头的力学性能

图4 3号钢不同区域的轴向应变累积