邢 麗，朱 蕾，楊劍赟，卜文德

（南昌航空大學(xué)輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌330063）

0 引 言

線性摩擦焊（LFW）作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的固態(tài)連接工藝，具有焊接變形小、無(wú)污染等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)熔化焊相比，其焊縫窄且為鍛造組織，避免了氣孔、裂紋的出現(xiàn)；與其它摩擦焊如旋轉(zhuǎn)摩擦焊相比，其應(yīng)用范圍更加廣泛，可用于非圓形截面等不規(guī)則構(gòu)件的焊接［1-3］。由于這些優(yōu)勢(shì)，線性摩擦焊技術(shù)在航空航天領(lǐng)域，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)的制造中［4-5］具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管線性摩擦焊能獲得高質(zhì)量的接頭，但在焊接過(guò)程中，如果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。

近年來(lái)，已有不少學(xué)者對(duì)線性摩擦焊工藝進(jìn)行了研究。Wanjara等［6］發(fā)現(xiàn)，在頻率為50Hz、振幅為2mm、摩擦壓力為50MPa時(shí)，TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的強(qiáng)度超過(guò)了母材；Vairis［7］等分析了高頻率對(duì)鈦合金線性摩擦焊接頭質(zhì)量的影響，認(rèn)為高頻率下需要采用較低的摩擦壓力、合適的振幅才能保證熱輸入量適宜，得到較好的接頭；Romero等［8］研究了摩擦壓力對(duì)焊縫形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)隨摩擦壓力的增大，焊縫及熱影響區(qū)的寬度均有所下降。以上研究都是針對(duì)部分工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響，但關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)焊縫形態(tài)有何影響，焊縫宏觀形貌與缺陷之間的關(guān)系還很少有報(bào)道。

作者采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行線性摩擦焊試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)焊縫橫截面宏觀形貌的觀察，分析了摩擦壓力、振幅、頻率等參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，獲得了焊接參數(shù)與焊縫成形的關(guān)系，并通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)獲得成形優(yōu)良的焊縫，避免了焊縫缺陷的產(chǎn)生，對(duì)線性摩擦焊的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為退火態(tài)TC4鈦合金厚板，尺寸為45mm×18mm×10mm，其化學(xué)成分見表1。在XMH-160型線性摩擦焊機(jī)上進(jìn)行線性摩擦焊，試驗(yàn)時(shí)一個(gè)試樣固定，另一個(gè)試樣相對(duì)固定試樣做線性往復(fù)振動(dòng)，通過(guò)摩擦產(chǎn)熱使摩擦界面達(dá)到塑化狀態(tài)，最后在摩擦壓力的作用下形成接頭，原理如圖1所示。分別改變頻率、振幅及摩擦壓力觀察參數(shù)變化對(duì)焊縫成形的影響，焊接時(shí)間為3s。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of TC4titanium alloy（mass） %

圖1 線性摩擦焊示意Fig.1 Schematic diagram of linear friction welding

采用表2所示的三因素三水平正交表對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行線性摩擦焊試驗(yàn)，以焊縫成形質(zhì)量（好、一般、差）作為目標(biāo)響應(yīng)值，分別對(duì)焊縫成形進(jìn)行評(píng)分。焊縫成形好、一般、差分別評(píng)價(jià)為30，20，10分。

焊后沿平行振動(dòng)方向，在試樣中部截取金相試樣，如圖2所示，將試樣鑲嵌、打磨并拋光后用Kroll’s試劑（100mL H2O＋2mL HF＋5mL HNO3）腐蝕，觀察焊縫截面的宏觀形貌。正交試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表2 正交因素-水平表Tab.2 Orthogonal factor-level table

圖2 金相試樣截取示意Fig.2 Schematic diagram of metallographic specimen interception

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫的宏觀形貌

圖3分別為三種焊縫的宏觀形貌，圖中Z側(cè)為振動(dòng)端，J側(cè)為靜止端，點(diǎn)畫線為焊縫中心。由圖3（a）可見，焊縫的中部窄，兩端寬，以焊縫中心線為對(duì)稱中心，呈“X”型；此外，從飛邊形貌可看出，塑性金屬是在擠壓力的作用下，由中部被推擠至焊縫兩側(cè)的，這種條件下擠壓出的飛邊較大。由圖3（b）可見，焊縫的中部及兩側(cè)寬度較為一致，以焊縫中心線為對(duì)稱中心，呈“I”型；塑性金屬并不是由中部推擠至兩側(cè)，而是類似于摩擦面塑性金屬整體滑移出界面，因此飛邊較為細(xì)窄，飛邊的頂端也較尖。由圖3（c）可見，焊縫一端寬、一端窄，以焊縫中心線對(duì)稱，呈“V”型；與圖3（a），（b）相比，飛邊形貌明顯不對(duì)稱，大量塑性金屬向一側(cè)堆積，另一側(cè)僅有少量擠出，擠出的塑性金屬在焊縫外也未相互連接。

2.2 目標(biāo)值極差

圖3 三種焊縫的宏觀形貌Fig.3 Macrograph of three types of weld：（a）“X”type；（b）“I”type and（c）“V”type

表4 焊縫成形評(píng)分的極差統(tǒng)計(jì)Tab.4 Range statistics of weld formation rating

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，計(jì)算每個(gè)因素各個(gè)水平下單個(gè)目標(biāo)值的均值，進(jìn)行極差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。極差最大的列，其對(duì)應(yīng)的因素對(duì)焊縫成形的影響最大。所以，因素A即摩擦壓力對(duì)焊縫成形的影響最大，然后依次為因素C（頻率）和B（振幅）。優(yōu)化工藝參數(shù)分別為：摩擦壓力60MPa，振幅3.0mm，頻率30Hz或35Hz。

2.3 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

由圖4（a）可見，隨著摩擦壓力的增大，焊縫成形評(píng)分先降低后提高，當(dāng)摩擦壓力為55MPa時(shí)，焊縫成形評(píng)分最低。這是因?yàn)樵诰€性摩擦焊過(guò)程中，兩工件剛接觸時(shí)，試樣的粗糙峰會(huì)迅速嵌入對(duì)方，產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)大部分粗糙峰在軸向壓力作用下消失時(shí)，接觸面積急劇增大而產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，材料發(fā)生塑化，結(jié)合面被一層高溫粘塑性金屬覆蓋（塑性層），兩側(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部，產(chǎn)熱機(jī)制由初始的摩擦熱轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃螣?，進(jìn)入內(nèi)摩擦階段，軸向載荷提供的摩擦壓力促使塑性金屬流動(dòng)，其振幅與頻率則維持熱輸入量。因此，當(dāng)振幅與頻率適中，采用較小的摩擦壓力時(shí)，熱輸入量較為適宜，焊縫成形較好；隨著摩擦壓力的增大，焊縫成形變差；當(dāng)摩擦壓力繼續(xù)增大時(shí)，結(jié)合面在高能量的作用下，焊縫中部及兩側(cè)的金屬幾乎同時(shí)達(dá)到完全塑性狀態(tài)，在軸向壓力及剪切力的作用下，焊縫金屬同時(shí)流動(dòng)，因此焊縫成形也較好。

由圖4（b）可見，隨著振幅的增大，焊縫成形評(píng)分先提高后降低，在振幅為3mm達(dá)到最佳。在摩擦壓力和頻率適中的情況下，采用較小的振幅時(shí)，結(jié)合面塑性金屬的流動(dòng)距離縮短，氧化物或雜質(zhì)缺陷不易排出，因此焊縫成形較差；當(dāng)振幅過(guò)大時(shí)，結(jié)合面接觸空氣面積增大，焊縫溫度較低，會(huì)形成有缺陷的“V”型焊縫。

由圖4（c）可見，當(dāng)頻率較小時(shí)焊縫成形評(píng)分較高，隨著頻率的增加，焊縫成形評(píng)分逐漸降低。這是因?yàn)樵谀Σ翂毫驼穹m中的情況下，頻率較小時(shí)，雖然熱輸入量不高，但熱損失也小，塑性金屬的流動(dòng)性較好，焊縫成形情況較好；當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)，結(jié)合面與周圍空氣的對(duì)流增強(qiáng)，熱量損失較大，焊縫溫度降低，影響焊縫成形。

圖4 焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響Fig.4 Effect of friction pressure（a），amplitude（b）and frequency（c）on weld formation

3 結(jié) 論

（1）對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行線性摩擦焊時(shí)，焊縫的宏觀形貌分為“X”型、“I”型、“V”型，摩擦壓力對(duì)焊縫成形的影響最大，其次為頻率和振幅；在其它條件相同的情況下，振幅減小使焊縫區(qū)變窄，同時(shí)會(huì)降低焊縫塑性金屬的流動(dòng)性，焊縫成形較差；當(dāng)摩擦壓力增幅小于振幅的增幅時(shí)，有利于得到成形較好的焊縫；頻率增大時(shí)匹配大振幅雖能使熱輸入升高，但熱損失也較大，不利于得到成形良好的焊縫。

（2）要獲得成形良好的焊縫需提高摩擦壓力，在保證熱輸入量適中的情況下應(yīng)采用較大的摩擦壓力。

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