中航工業(yè)北京航空制造工程研究所攪拌摩擦焊中心 李繼忠 董春林 趙華夏 欒國紅

湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司先進(jìn)焊接技術(shù)湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 仇一卿 李寶華 唐眾民 聶緒勝

攪拌摩擦焊焊發(fā)展至今已有20余年[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、銅合金等低熔點(diǎn)合金材料的焊接，解決了部分材料不適于傳統(tǒng)熔焊的連接[2-3]。在攪拌摩擦焊接過程中，焊接溫度約為被焊材料熔點(diǎn)的0.8Tm（Tm為熔點(diǎn)開氏溫度），材料在攪拌摩擦焊接過程中發(fā)生了劇烈擠壓塑性變形等特點(diǎn)，避免了常規(guī)熔焊過程中產(chǎn)生的氣孔、熱裂等缺陷，這有利于獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭[4-6]。

近年來，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的不斷進(jìn)步，被焊材料逐漸拓展到高熔點(diǎn)合金，以TC4鈦合金為代表的高熔點(diǎn)合金攪拌摩擦焊技術(shù)取得了長足發(fā)展。其中，Ewards等[7-10]在鈦合金攪拌摩擦焊接方面取得了豐碩成果，并進(jìn)行了工程化驗(yàn)證。因鈦合金不同于其他材料，其熱傳導(dǎo)系數(shù)較低（約為鋁合金的7.5%），易導(dǎo)致在攪拌摩擦焊接過程中焊縫根部出現(xiàn)隧道、孔洞或未焊透等類型缺陷[7]，因此選取適當(dāng)?shù)暮附庸に囀潜ＷC接頭質(zhì)量最重要的因素。此外，TC4屬于α-β雙相鈦合金，焊接過程溫度直接影響到接頭的組織性能[11]，攪拌摩擦焊可通過控制工藝參數(shù)有效控制焊接溫度，從而達(dá)到影響材料接頭組織的目的，最終得到綜合性能較高的接頭。

本文通過改變焊接工藝參數(shù)，研究其對(duì)接頭顯微組織的影響規(guī)律，同時(shí)探討工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用厚度為2.0mm的TC4鈦合金板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1所示。鈦合金板對(duì)接面用銑床銑平，用鋼刷將試板待焊區(qū)清理干凈，并用酒精清洗；攪拌頭選用高溫合金制成（鎢錸合金），攪拌頭軸肩直徑為15mm、針長為1.9mm；試驗(yàn)設(shè)備為攪拌摩擦焊專機(jī)，攪拌頭傾角為2.5°，工藝參數(shù)如表2所示。焊接過程選用氬氣作為保護(hù)氣體，以防止鈦合金發(fā)生吸氣反應(yīng)。

使用M226型工業(yè)X射線檢測(cè)儀對(duì)焊后接頭進(jìn)行無損檢測(cè)，截取焊縫橫截面進(jìn)行宏觀金相觀察，金相腐蝕試劑為40%HF（5ml）、40HNO3（15ml）、H2O（85ml），使用Laica550光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，使用JEM-2010型透射電鏡觀察焊核內(nèi)微觀組織，使用Z100型萬能拉伸機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)尺寸如圖1所示，對(duì)拉伸后接頭斷口形貌使用SEM掃描電鏡進(jìn)行觀察。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)

圖1 拉伸試驗(yàn)的試樣規(guī)格（/mm）Fig.1 Sample size unit in tensile test specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面宏觀形貌與無損檢測(cè)

圖2 不同工藝參數(shù)條件下焊縫宏觀和X射線檢測(cè)形貌Fig.2 Photograph and X-ray film of welds

在轉(zhuǎn)速100r/min、焊速30mm/min條件下，焊接200mm長的焊縫過程穩(wěn)定，焊后在未做任何處理的情況下，弧紋均勻、成形良好，表面呈金屬銀白色光澤，無氧化現(xiàn)象，如圖2（a）所示。對(duì)焊后焊縫進(jìn)行X射線無損檢測(cè)，結(jié)果表明焊縫內(nèi)未出現(xiàn)孔洞、隧道、未焊透等缺陷，如圖2（a）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至200r/min、焊速為50mm/min時(shí)，焊縫表面質(zhì)量良好，但是在焊縫區(qū)出現(xiàn)了輕度氧化現(xiàn)象，表面呈黃褐色（如圖2（b）所示），這表明焊接溫度較轉(zhuǎn)速為100r/min、焊速為30mm/min條件下有明顯提高。X射線無損檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)孔洞、隧道或未焊透等類型的缺陷，如圖2（b）所示。為進(jìn)一步增大焊接區(qū)的熱輸入量，將轉(zhuǎn)速增加至300r/min、焊速為50mm/min時(shí)，在焊接過程中攪拌頭出現(xiàn)較大地?cái)[動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)較大的弧紋，表面質(zhì)量較差，如圖2（c）所示。從X射線無損檢測(cè)結(jié)果可以看出，未發(fā)現(xiàn)各類缺陷，但是在檢測(cè)底片上出現(xiàn)了明暗交替排列的弧紋形貌，這與焊縫表面弧紋依次對(duì)應(yīng)。其中，深色條紋對(duì)應(yīng)焊縫表面凸起的波谷處，淺色條紋對(duì)應(yīng)表面凹陷的波峰處，如圖2（c）所示。繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速至400r/min可以看出焊縫表面氧化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)大量的黃褐色及部分深藍(lán)色區(qū)域，如圖2（d）所示。在焊接長度約180mm時(shí)，焊接過程發(fā)生了不穩(wěn)定現(xiàn)象，大量焊接區(qū)材料堆積在焊縫邊緣，形成厚大的飛邊，焊縫不能成形。此外，通過X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)應(yīng)焊縫表面的深藍(lán)色區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了隧道型缺陷，如圖2（d）所示。

根據(jù)焊縫表面及X射線檢測(cè)形貌可以看出，在低轉(zhuǎn)速條件下（100r/min和200r/min），熱輸入量較低，焊縫表面無氧化現(xiàn)象，呈銀白色金屬光澤。隨著轉(zhuǎn)速的提高（300r/min），熱輸入量增大，焊縫表面出現(xiàn)了明顯的氧化現(xiàn)象，且焊接過程出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊縫表面出現(xiàn)較大弧紋，這說明在300r/min轉(zhuǎn)速條件下攪拌區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了不穩(wěn)定因素，可能是由于焊接過程中鈦合金內(nèi)出現(xiàn)了α/β兩相同時(shí)存在并不斷轉(zhuǎn)變的過程，從而導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)了較大的波動(dòng)弧紋。

當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至400r/min時(shí)，焊縫過程溫度隨之繼續(xù)升高，焊縫表面材料活性進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象。此外，在轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，焊接過程穩(wěn)定，焊縫表面未表現(xiàn)出粗大的弧紋形貌；在焊接180mm長焊縫后，焊縫不能成形，這是由于隨著焊接溫度升高，TC4鈦合金具有非常好的流動(dòng)性，同時(shí)因焊接鈦合金用攪拌針尺寸規(guī)格較大、軸肩尺寸較小[7]，導(dǎo)致材料流出焊接區(qū)，在后退側(cè)堆積而形成厚大的飛邊，如圖2（d）所示。

2.2 接頭宏觀形貌

圖3給出了不同工藝參數(shù)條件下焊縫橫截面的宏觀形貌。從圖3（a～b）中可以看出，在兩種低熱輸入量參數(shù)（100r/min和200r/min）條件下，焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)孔洞、隧道或未焊透等缺陷，在攪拌區(qū)與母材之間熱影響區(qū)狹窄，接頭形貌表現(xiàn)為“碗”狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至300r/min時(shí)，接頭橫截面“碗”狀結(jié)構(gòu)消失，表現(xiàn)為類“U”形結(jié)構(gòu)，且攪拌區(qū)與母材之間的熱影響區(qū)有明顯增寬，如圖3（c）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至400r/min，接頭橫截面形貌表現(xiàn)為典型的“U”形結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)寬度進(jìn)一步增大，在焊縫根部出現(xiàn)了未焊透缺陷，未焊透深度約0.1mm，如圖3（d）所示。此外，橫截面上部出現(xiàn)了連續(xù)的黑色線條，經(jīng)分析確定這是攪拌頭因磨損而殘留在焊縫內(nèi)的離散顆粒。

圖3 不同工藝參數(shù)條件下焊縫橫截面宏觀形貌Fig.3 Macrographs of cross-sections of weld at different parameters

從觀察接頭橫截面宏觀形貌可以看出，焊縫由3個(gè)區(qū)域組成：焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。因鈦合金強(qiáng)度較大，且熱傳導(dǎo)系數(shù)較差小（約為鋁合金的7%），導(dǎo)致塑性變形區(qū)與母材之間沒有出現(xiàn)熱機(jī)影響區(qū)[7]。根據(jù)攪拌區(qū)塑性變形影響因素，橫截面可分為軸肩影響區(qū)和攪拌針影響區(qū)，其中焊縫表面受軸肩影響，其在厚度方向的影響深度取決于轉(zhuǎn)速，即隨著轉(zhuǎn)速提高，軸肩影響深度逐漸加大，直至被焊板材厚度。攪拌針影響區(qū)貫穿于被焊深度，在低轉(zhuǎn)速條件下，焊縫根部只受攪拌針影響，因此橫截面表現(xiàn)為“碗”狀結(jié)構(gòu)；而隨著轉(zhuǎn)速提高，軸肩影響區(qū)與攪拌針影響區(qū)發(fā)生重疊，導(dǎo)致接頭橫截面形貌為“U”形結(jié)構(gòu)。

通過上述試驗(yàn)結(jié)果還可看出，在低轉(zhuǎn)速條件下，焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)攪拌頭的磨蝕材料——鎢錸合金顆粒，而當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至400r/min時(shí)，在軸肩影響區(qū)出現(xiàn)了明顯的攪拌頭磨蝕顆粒分布帶，如圖3（d）所示，主要是因?yàn)樵龃筠D(zhuǎn)速時(shí)，焊接溫度也隨之升高，增大了攪拌頭與被焊材料之間的磨蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致磨蝕的鎢錸合金顆粒離散分布在焊接區(qū)域內(nèi)[12]。

2.3 接頭微觀組織

圖4 不同工藝參數(shù)條件下焊核區(qū)微觀組織TEM形貌Fig.4 TEM images of stir zone of weld sample at different parameters

為進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)速對(duì)鈦合金接頭焊核區(qū)微觀組織的影響，選取焊核區(qū)進(jìn)行了透射電鏡分析，不同工藝參數(shù)條件下焊核區(qū)TEM微觀組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖5（a）可以看出，TC4鈦合金母材微觀組織是由板條狀的軋制態(tài)構(gòu)成，其尺寸約2μm，位錯(cuò)密度較低；經(jīng)攪拌焊接后，接頭組織發(fā)生了顯著變化，在低熱輸入（100r/min和200r/min）條件下，焊核區(qū)主要由α相等軸晶組成，晶粒明顯細(xì)化至1μm左右，如圖4（b）所示。隨著轉(zhuǎn)速增大至300r/min，接頭內(nèi)出現(xiàn)了片層狀組織結(jié)構(gòu)，焊核區(qū)由α相等軸晶和α+β片層狀組織構(gòu)成，如圖4（c）所示。繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速至400r/min，接頭內(nèi)全部由α+β片層狀組織構(gòu)成，片層寬度約0.2μm，如圖4（d）所示。

由圖4（c～d）還可看出，在較高轉(zhuǎn)速條件下，焊核區(qū)內(nèi)存在大量層片狀組織形態(tài)，這是由于轉(zhuǎn)速提高使焊接溫度超過β相變溫度[13]，發(fā)生α向β轉(zhuǎn)變，而薄板焊后降溫速度較快，在隨后的降溫過程中又轉(zhuǎn)變成了層片狀組織。此外，與圖4（a）的母材微觀比較可知，焊核區(qū)位錯(cuò)密度較母材有所降低，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)，焊核內(nèi)晶粒尺寸較小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用使位錯(cuò)密度降低。

隨著轉(zhuǎn)速的增加，β相逐漸增多，轉(zhuǎn)變?chǔ)两M織相應(yīng)減少[12]。分析認(rèn)為：當(dāng)焊速為50mm/min、轉(zhuǎn)速達(dá)到200r/min時(shí)，焊核區(qū)內(nèi)的峰值溫度達(dá)到了α→β相轉(zhuǎn)變開始溫度，焊核區(qū)內(nèi)發(fā)生了α→β轉(zhuǎn)變；在焊接速度較低的時(shí)候，焊接熱輸入較大，α→β相轉(zhuǎn)變較多，因此β相增多；隨著轉(zhuǎn)速的增加，焊接熱輸入增加，α→β相轉(zhuǎn)變?cè)黾?，α相隨之減少，轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織相對(duì)增加。

通過上述結(jié)果分析可知，在焊速不變的情況下，轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致焊縫單位長度內(nèi)熱輸入增大，高溫停留時(shí)間較長，增強(qiáng)了機(jī)械攪拌作用而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)晶粒細(xì)化的影響程度會(huì)大于熱作用對(duì)晶粒長大的影響。同時(shí)，由于焊接板厚較薄，焊后焊縫區(qū)溫度急劇降低，促使β相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，從而形成片層狀?β組織結(jié)構(gòu)。高轉(zhuǎn)速條件下，在較高的焊接溫度與快速冷的共同作用下，二者綜合作用導(dǎo)致α+β片層寬度大大減小。

2.4 接頭力學(xué)性能

圖5為焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，由圖可見，各工藝參數(shù)條件下接頭強(qiáng)度沒有顯著差別，均超過1000MPa，略低于母材強(qiáng)度的1060MPa，F(xiàn)SW接頭強(qiáng)度幾乎與母材相當(dāng)，在100r/min條件下，接頭最大延伸率約9.8%，與母材18%的延伸率相比，達(dá)到母材的54%。

圖5 焊接接頭應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile strain-stress curve of joints at different parameters

通過接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可看出，采用FSW焊后接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)，且接頭具有較好的塑性變形能力。結(jié)合前述的微觀組織測(cè)試結(jié)果分析可知，在低轉(zhuǎn)速100r/min條件下，接頭內(nèi)主要是等軸超細(xì)晶組織，這有利于獲得較高的綜合力學(xué)性能。高轉(zhuǎn)速400r/min條件下，接頭得到的全β片層狀組織，因其初始α相晶粒較大，使接頭塑性略有降低，但晶粒內(nèi)形成的片層狀組織寬度較窄，使接頭強(qiáng)度沒有明顯降低，在接頭內(nèi)同時(shí)具有α等軸晶和β片層組織時(shí)，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度和塑性均有減弱。

基于以上分析，可推斷采用攪拌摩擦焊焊接鈦合金能通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)得到超細(xì)晶、超細(xì)晶+片層狀或完全片層狀3種微觀組織形式的接頭。針對(duì)各組織形式對(duì)接頭力學(xué)性能的影響，可優(yōu)化得到接頭在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能提高接頭的塑性變形能力，從而克服了傳統(tǒng)熔焊接頭塑性變形能力差的問題。

3 結(jié)論

（1）TC4鈦合金在攪拌摩擦焊接過程中通過調(diào)整工藝參數(shù)，可得到不同組織狀態(tài)的接頭，從而達(dá)到影響接頭性能的目的。

（2）轉(zhuǎn)速是影響TC4鈦合金接頭組織最重要的因素，隨著轉(zhuǎn)速從100r/min增加到400r/min，熱輸入量逐漸增大，接頭內(nèi)微觀組織由完全的α相超細(xì)晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆摩?β片層狀組織結(jié)構(gòu)；通過控制熱輸入量（轉(zhuǎn)速和焊速），可以得到α相超細(xì)晶和α+β片層狀組織的混合組織狀態(tài)。

（3）通過優(yōu)化工藝參數(shù)，TC4鈦合金接頭抗拉強(qiáng)度均超過了1000MPa；在轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，接頭延伸率可達(dá)9.8%，在保證接頭具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)接頭具有較高的塑性變形能力。

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