中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 許 平 畢世權(quán) 蘇智星 都澤鑫

線性摩擦焊技術(shù)是待焊工件之一固定，另一工件以一定速度作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或兩個(gè)工件作相對(duì)往復(fù)高頻運(yùn)動(dòng)，在垂直于往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向的壓力作用下隨摩擦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦表面的金屬逐漸達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生變形，進(jìn)而被擠出界面形成飛邊，隨后停止往復(fù)運(yùn)動(dòng)并施加頂鍛力，完成焊接[1]。該方法在20世紀(jì)80年代中期進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)，擬用作整體葉盤(pán)更換損傷葉片的修理工藝[2]，與常規(guī)焊接技術(shù)相比，線性摩擦焊過(guò)程屬于固態(tài)連接，金屬不熔化、不變形，而且不管工件截面是否對(duì)稱(chēng)，均可以進(jìn)行焊接。線性摩擦焊除了焊接鈦合金、高強(qiáng)度鋼材料，還可以焊接難以熔焊的粉末冶金材料、金屬間化合物和金屬基復(fù)合材料，并且可進(jìn)行異種金屬的焊接，焊縫的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能甚至超過(guò)母材。

線性摩擦焊主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)與葉片的焊接，還可用于焊接大截面的塑料部件，已經(jīng)成為葉盤(pán)、葉環(huán)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)工藝之一，但線性摩擦焊在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用卻較少。為了推廣該技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用的TA15鈦合金材料，開(kāi)展線性摩擦焊焊接接頭熱處理優(yōu)化制度、全面力學(xué)性能研究、典型結(jié)構(gòu)件的靜力、疲勞試驗(yàn)研究并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，為線性摩擦焊技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

TA15鈦合金是綜合性能優(yōu)異的鈦合金材料，它的名義成分為T(mén)i-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過(guò)α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo和V，以改善其工藝性。該合金的Al當(dāng)量為6.58%，Mo當(dāng)量為2.46%，屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，它既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于α-β型鈦合金的工藝塑性。TA15鈦合金長(zhǎng)時(shí)間（3000h）工作溫度可達(dá)500℃，瞬時(shí)（不超過(guò)5min）可達(dá)800℃[3]。概括來(lái)說(shuō)，TA15合金具有中等室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，工藝塑性稍低于TC4，強(qiáng)度等級(jí)在σb≥930MPa的中等強(qiáng)度鈦合金，綜合性能優(yōu)良。

TA15鈦合金的鍛件或厚板廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)第三代飛機(jī)的框梁等主承力結(jié)構(gòu)上，由于主承力結(jié)構(gòu)的尺寸通常偏大，往往需要結(jié)合焊接工藝以小拼大，以提高零件的整體性和結(jié)構(gòu)效率。以往飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)通常選用氬弧焊、電子束焊等焊接技術(shù)，隨著線性摩擦焊技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)線性摩擦焊設(shè)備能力的提升，目前國(guó)內(nèi)可焊接截面積為最大為6000mm2的接頭，將其應(yīng)用飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)上已經(jīng)成為可能。

1 TA15鈦合金線性摩擦焊熱處理制度優(yōu)化研究

由于焊接為局部加熱，在操作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力，如果焊后不進(jìn)行有效的工藝處理，將會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，甚至在沒(méi)有外界因素作用下，結(jié)構(gòu)自身也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂或變形[4]。因此焊后需進(jìn)行有效的、溫度適宜的熱處理，以去除焊接的殘余應(yīng)力和變形，并可適當(dāng)提高焊縫韌性，獲得綜合性能優(yōu)異的焊接接頭。

為獲得綜合性能良好的線性摩擦焊接頭制備了一批試驗(yàn)件，焊后采用不同的溫度對(duì)接頭進(jìn)行熱處理，熱處理溫度分別選取了600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃共6個(gè)溫度點(diǎn)，保溫3小時(shí)，分析了其不同熱處理制度下焊縫微觀組織，同時(shí)進(jìn)行了拉伸、沖擊、疲勞和斷裂韌性等力學(xué)性能的測(cè)試。

從測(cè)試結(jié)果上比較，各個(gè)熱處理溫度下的室溫拉伸性能基本相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度在930～984MPa之間，屈服強(qiáng)度在826～933MPa之間；V型缺口的夏比擺錘沖擊試驗(yàn)，隨著熱處理溫度的升高，其沖擊吸收功逐漸升高，熱處理制度為850℃時(shí)，沖擊吸收功平均值最高，達(dá)41.364J；各個(gè)熱處理制度下的疲勞強(qiáng)度極限在378.6～533.9MPa之間，其中熱處理制度為650℃時(shí)接頭的高周疲勞強(qiáng)度最高，可達(dá)533.9MPa；對(duì)于斷裂韌性，在800℃之前，隨著熱處理溫度的升高，性能變得更好，熱處理溫度為800℃時(shí)，接頭的抗斷裂能力最好，裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD為0.044mm,但熱處理溫度為850℃時(shí)，熱影響區(qū)斷裂韌性略有下降。因而，如果想獲得良好的沖擊性能和斷裂韌性，可以選擇溫度較高的熱處理制度，如800℃；如果需要較好高周疲勞強(qiáng)度，可以選擇溫度較低的熱處理制度，如650℃。

2 TA15鈦合金線性摩擦焊全面力學(xué)性能

為考核TA15鈦合金線性摩擦焊接頭的全面力學(xué)性能，選擇熱處理溫度為750℃，保溫3小時(shí)，測(cè)試了TA15鈦合金母材和線性摩擦焊接頭的拉伸、沖擊、低周疲勞、高周疲勞、斷裂韌度、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等性能并進(jìn)行對(duì)比分析，以便對(duì)線性摩擦焊接頭的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 拉伸性能

室溫拉伸性能試驗(yàn)按HB5143進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為23℃；低溫拉伸性能試驗(yàn)按GB/T 13239，試驗(yàn)溫度為-60℃；高溫拉伸性能試驗(yàn)按HB5195進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為200℃；圖1顯示了在不同溫度下TA15鈦合金母材及線性摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2?？梢?jiàn)在各個(gè)溫度下TA15線性摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2與TA15母材相當(dāng)甚至略高。

圖1 不同溫度下TA15鈦合金母材及線性摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2Fig.1 Tensile strength(Rm) and Yield strength(Rp0.2) of TA15 titanium alloy base metal and linear-friction welding joint at different temperatures

2.2 沖擊性能

沖擊性能試樣采用V形缺口，室溫沖擊性能試驗(yàn)按HB5144進(jìn)行，試驗(yàn)溫度23℃；低溫沖擊性能試驗(yàn)按HB5278進(jìn)行，試驗(yàn)溫度-60℃，分別測(cè)試了焊縫界面區(qū)和焊縫熱影響區(qū)的沖擊性能，每組試樣各8件，結(jié)果取平均值，并與TA15母材的沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖2。

-60℃時(shí)，TA15母材和接頭的沖擊吸收功值相差不大，接頭焊縫界面區(qū)的沖擊性能略高；室溫條件下，TA15母材的沖擊性能略高于接頭，接頭焊縫區(qū)和熱力影響區(qū)的沖擊性能相差不大，二者皆可達(dá)到母材的84%。

圖2 低溫與室溫沖擊性能測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of impact properties at low temperature and room temperature

2.3 平面應(yīng)變斷裂韌度

平面應(yīng)變斷裂韌度K1C試驗(yàn)按HB5142進(jìn)行，試樣按緊湊型試樣B=20、W=40選取，分別測(cè)試了焊縫界面區(qū)和焊縫熱影響區(qū)，每組試樣各8件，結(jié)果取平均值，并與TA15母材的斷裂韌度進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3顯示,TA15母材斷裂韌度較接頭略高，線性摩擦焊接頭界面區(qū)和熱影響區(qū)的斷裂韌度值略低一些，大約為母材的80%。

圖3 平面應(yīng)變斷裂韌度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of plane strain fracture toughness

2.4 應(yīng)力腐蝕性能

應(yīng)力腐蝕性能KISCC試驗(yàn)按GB15970.6進(jìn)行，試樣按緊湊型試樣B=20、W=40選取，與平面應(yīng)變斷裂韌度試樣同一尺寸，試驗(yàn)溫度為室溫，腐蝕溶液為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl溶液，分別測(cè)試了焊縫界面區(qū)和焊縫熱影響區(qū)，每組試樣各12件，結(jié)果取平均值，并與TA15母材的斷裂韌度進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)力腐蝕性能KISCC測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of stress corrosion behavior(KISCC)

根據(jù)圖4顯示，TA15母材的應(yīng)力腐蝕KISCC值最高，焊縫界面區(qū)和焊縫熱影響區(qū)的應(yīng)力腐蝕KISCC值都略有降低，達(dá)到母材的87%。

2.5 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)按GB/T6398，在室溫條件下進(jìn)行，應(yīng)力比R=0.06，試件為100×20塊狀試樣，采用Paris公式擬合出焊縫界面區(qū)、焊縫熱影響區(qū)處的da/dn-ΔK曲線，并與母材進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖5。

從圖5中可以看出，焊縫界面區(qū)與焊縫熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率幾乎與母材相當(dāng)，在Log(ΔK)＜1.3時(shí)，焊縫界面區(qū)>母材>焊縫熱影響區(qū)； Log(ΔK)>1.3時(shí)，母材與焊縫熱影響區(qū)相當(dāng)，且略高于焊縫。

2.6 軸向加載疲勞

圖5 采用Paris公式擬合的da/dn-ΔK曲線Fig.5 da/dn-ΔK curve fitted by Paris formula

軸向加載疲勞試驗(yàn)按HB5287進(jìn)行，試件分為Kt=1光滑疲勞試樣和Kt=3缺口疲勞試樣2種，試樣數(shù)為35件/組，采用升降法，應(yīng)力比為R=0.06,其中光滑疲勞Kt=1試件采用直徑7mm中間有24mm的平直段試樣，缺口疲勞Kt=3試樣采用直徑7.5mm的試樣。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，光滑疲勞試樣的強(qiáng)度極限為409MPa，Kt=3缺口疲勞試樣的強(qiáng)度極限為401MPa。而TA15鈦合金鍛件母材的Kt=1光滑疲勞和Kt=3缺口疲勞的疲勞極限分別為423MPa[3]和226MPa，由此可見(jiàn)線性摩擦焊接頭的軸向加載疲勞壽命非常好。

2.7 橫應(yīng)變低周疲勞性能

恒應(yīng)變低周疲勞性能試驗(yàn)按GB/T15248在室溫下進(jìn)行，應(yīng)力比R=0.1，試驗(yàn)波形為三角波，試件數(shù)為25件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出Δε/2-2Nf曲線，并與母材進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示。應(yīng)變幅在0.5以下時(shí)，接頭與母材的低周疲勞性能相當(dāng)，當(dāng)應(yīng)變幅大于0.5時(shí)，低周疲勞壽命略低于母材。

圖6 TA15鈦合金線性摩擦焊接頭恒應(yīng)變低周疲勞曲線Fig.6 Constant strain low cycle fatigue curve of linearfriction welded joint made of TA15 titanium alloy

從上述線性摩擦焊的性能數(shù)據(jù)可見(jiàn)，TA15鈦合金線性摩擦焊接頭具有較好的綜合性能，其中拉伸性能、沖擊性能、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、軸向加載疲勞及與橫應(yīng)變低周疲勞性能等都與母材基本相當(dāng)，平面應(yīng)變斷裂韌度和應(yīng)力腐蝕性能略低于母材，達(dá)到母材的80%左右。

3 線性摩擦焊典型結(jié)構(gòu)件的靜力/疲勞試驗(yàn)研究

根據(jù)線性摩擦焊的特點(diǎn)，該技術(shù)可用于主承力框梁的連接，這些連接部位一般采用工字型、T字型或Π字型截面，因而開(kāi)展了工型截面線性摩擦焊四點(diǎn)彎曲梁的靜力/疲勞性能研究，四點(diǎn)彎曲梁的對(duì)稱(chēng)面處采用線性摩擦焊連接，見(jiàn)圖7。四點(diǎn)彎曲梁的支持加載方案見(jiàn)圖8，外側(cè)兩個(gè)支持點(diǎn)，中間兩個(gè)加載點(diǎn)，兩個(gè)加載點(diǎn)中間為等彎矩區(qū)，不考慮焊縫修正系數(shù)的理論靜力破壞載荷為115.08kN。

3.1 靜力試驗(yàn)

選取2件四點(diǎn)彎曲梁進(jìn)行靜力試驗(yàn)，實(shí)際破壞載荷分別為128.89 kN和128.04 kN，較理論破壞載荷高出約10%，破壞于線性摩擦焊附件的等彎距區(qū)域，這說(shuō)明線性摩擦焊接頭的靜強(qiáng)度略高于母材。

3.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行，前兩個(gè)階段采用二級(jí)等幅譜加載，分別完成94500次相當(dāng)于3000飛行小時(shí)的疲勞壽命試驗(yàn)，其中第二階段載荷譜為第一階段原譜的1.2倍，第三階段采用等幅譜加載，應(yīng)力比R=0.1，載荷峰值取靜力破壞載荷平均值的一半，做至試驗(yàn)件破壞或94500次。

圖7 線性摩擦焊四點(diǎn)彎曲梁Fig.7 Linear-friction welded four point bending beam

圖8 四點(diǎn)彎曲梁的支持加載方案Fig.8 Support and loading scheme of four point bending beam

表1 TA15線性摩擦焊四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果

四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，目前完成4件疲勞試驗(yàn)，全部完成上述三個(gè)階段的疲勞壽命試驗(yàn)，試件并未發(fā)生破壞。這表明在特定的應(yīng)力水平下，四點(diǎn)彎曲梁疲勞壽命已遠(yuǎn)高于9000飛行小時(shí)，線性摩擦焊接頭具有較好的疲勞特性，能夠滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)上主承力框梁的設(shè)計(jì)需求。

4 采用線性摩擦焊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

圖9為左、右兩側(cè)采用TA15鈦合金，中間接頭采用TC17鈦合金的結(jié)構(gòu)樣件，線性摩擦焊為實(shí)現(xiàn)異種金屬材料的焊接提供了可能。根據(jù)資料報(bào)道，異種鈦合金材料之間進(jìn)行線性摩擦焊，其接頭的拉伸強(qiáng)度介于兩種母材之間，略高于低強(qiáng)度的母材，高周疲勞性能可達(dá)到較低強(qiáng)度母材的95%以上[5]，這種結(jié)構(gòu)的接頭區(qū)需要強(qiáng)度較高的材料，而其余部分采用中等或較低強(qiáng)度的材料即可，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于根據(jù)結(jié)構(gòu)特征充分發(fā)揮材料的性能和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減重意義重大。

線性摩擦焊技術(shù)還可以用于飛機(jī)主承力框梁上接頭連接、局部突出緣條連接以及縱、橫構(gòu)件交叉處連接，見(jiàn)圖10。由于在空氣中完成焊接，線性摩擦焊不受真空室尺寸及焊縫方向的限制，對(duì)于焊接特定形狀的零件，其自由度更大，更易于實(shí)現(xiàn)。線性摩擦焊技術(shù)和攪

圖9 異種鈦合金焊接的線性摩擦焊接頭Fig.9 Linear-friction welded joint made of different titanium alloys

圖10 擬采用線性摩擦焊的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Fig.10 Linear-friction welded aircraft structure in the future

拌摩擦焊技術(shù)、電子束焊接技術(shù)等互為補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念提供了更有效的途徑。

[1] 張柯柯，涂益民.特種先進(jìn)連接方法.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2] 汪亞衛(wèi).國(guó)防科技名詞大典（綜合卷）.北京：航空工業(yè)出版社，2002.

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