韓坤炎，陳元園，張樂(lè)，馮慶，王思琦

1.西安泰金新能科技股份有限公司 陜西西安 710201

2.西北有色金屬研究院 陜西西安 710201

1 序言

TA1屬于α相工業(yè)純鈦，由于其密度小、熔點(diǎn)高且耐蝕性強(qiáng)，因此具有良好的力學(xué)性能和加工性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域中，但是這些產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用都需要焊接，一般采用氬弧焊和攪拌摩擦焊等方式進(jìn)行[1-3]。氬弧焊焊接熱量大，會(huì)使晶粒粗大，不利于焊接接頭強(qiáng)度和塑性；攪拌摩擦焊具有良好的焊接效果，焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織變化小，焊接工件不易變形，且不用焊絲，焊縫雜質(zhì)元素少，但是焊縫位置存在嚴(yán)重?cái)D壓，使得焊縫因殘余應(yīng)力過(guò)大而影響試件力學(xué)性能。

本文使用3種不同攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)6mm的TA1鈦板進(jìn)行了雙面焊接，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為150r/min、焊接速度為50mm/min時(shí)，可以得到無(wú)缺陷的試件，但是試件伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于母材。因此對(duì)轉(zhuǎn)速150r/min、焊接速度50mm/min 的試件，進(jìn)行了600℃保溫3h后爐冷、650℃保溫3h后爐冷、700℃保溫3h后爐冷的3種焊后熱處理工藝。結(jié)果表明，650℃保溫3h后爐冷的焊后熱處理工藝會(huì)使攪拌摩擦焊試件伸長(zhǎng)率顯著變高，強(qiáng)度、硬度基本接近母材。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用6m m厚T A1鈦板，試板尺寸為100mm×500mm。焊接前對(duì)兩對(duì)接面進(jìn)行打磨，并用酒精擦拭去除雜質(zhì)。攪拌頭材料為鎢錸合金（鎢含量95%，錸含量5%），攪拌摩擦頭直徑為15mm。焊接設(shè)備為北京賽福斯特技術(shù)有限公司制造的小型攪拌摩擦焊機(jī)，攪拌頭傾角2.5°，使用氬氣作為保護(hù)氣體，采用攪拌摩擦焊對(duì)其進(jìn)行雙面焊接，鈦板化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 鈦板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 攪拌摩擦焊焊接參數(shù)

2.2 顯微組織

分別采用240#、600#、1200#、2000#砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨處理和機(jī)械拋光后，用腐蝕液[HF∶HNO3∶H2O＝1∶2∶50（體積比）]腐蝕樣品10s后，利用 OLYMPUS PMG3倒置式顯微鏡觀(guān)察微觀(guān)組織形貌，并運(yùn)用Nano Measurer 1.2軟件進(jìn)行晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)。

2.3 硬度測(cè)試

由于試件尺寸太大，因此將試件切割成30m m×10m m×3m m的樣品。采用上海敏新檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的M H V-50顯微維氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行硬度檢測(cè)。檢測(cè)之前，對(duì)檢測(cè)面（30mm×10mm）經(jīng)240#、600#、1200#、2000#砂紙打磨處理，然后通過(guò)機(jī)械拋光獲得光亮表面，選取每個(gè)試樣中心作為參考坐標(biāo)原點(diǎn)，在此進(jìn)行3×3陣列的取點(diǎn)測(cè)試，顯微硬度測(cè)試參數(shù)為：載荷500gf（4.9N），保壓時(shí)間為10s。

2.4 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，拉伸試樣尺寸如圖1所示，拉伸試驗(yàn)設(shè)備是美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的E45.305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行3mm/min的室溫拉伸。

圖1 拉伸試樣尺寸

2.5 電鏡測(cè)試

利用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-IT200SEM掃描電鏡對(duì)拉伸試樣斷口進(jìn)行觀(guān)察。

3 結(jié)果與分析

3.1 宏觀(guān)形貌

不同焊接參數(shù)下攪拌摩擦焊試件宏觀(guān)形貌如圖2所示。常溫下純鈦的焊接很穩(wěn)定，但是隨著溫度的上升，鈦金屬吸收H2、O2、N2的能力增加。由圖2a、b可看出，當(dāng)采用轉(zhuǎn)速150r/min和焊接速度100mm/min時(shí)，焊縫表面存在溝槽缺陷，這是因?yàn)楹附铀俣冗^(guò)快，材料來(lái)不及填充攪拌頭前進(jìn)留下的空腔[4，5]；由圖2c、d可看出，當(dāng)采用轉(zhuǎn)速200r/min和焊接速度50mm/min時(shí)還會(huì)伴隨有較大飛邊的出現(xiàn)，這是因?yàn)橄聣毫窟^(guò)大；觀(guān)察圖2e、f，當(dāng)采用轉(zhuǎn)速150r/min和焊接速度50mm/min時(shí)，焊接接頭無(wú)缺陷。

圖2 不同焊接參數(shù)下攪拌摩擦試件宏觀(guān)形貌

3.2 橫截面形貌

不同焊接參數(shù)下焊接接頭橫截面形貌如圖3所示。從圖3a可看出，橫截面存在直徑為1mm的小孔，這是因下壓量過(guò)小而產(chǎn)生的，在焊接過(guò)程中，由于攪拌針的長(zhǎng)度不變，當(dāng)下壓量不足時(shí)，攪拌針尖端與試板背部間距較大，因此會(huì)存在這種未焊透缺陷；圖3b橫截面存在直徑為0.1mm的裂縫，這是因下壓量過(guò)大而產(chǎn)生的[6，7]，下壓量過(guò)大使得擠壓變形嚴(yán)重，造成開(kāi)裂；從圖3c可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為150r/min、焊接速度為50mm/min時(shí)，焊縫橫截面完好。

圖3 不同焊接參數(shù)下焊接接頭橫截面形貌

3.3 試件組織和硬度

轉(zhuǎn)速為150r/min、焊接速度為50mm/min的3#試件焊接接頭宏觀(guān)組織如圖4所示。從圖4可看出，在轉(zhuǎn)速為150r/min、焊接速度為50mm/min的焊接工藝下，攪拌摩擦焊焊縫寬度為15mm，試件厚度為6mm。

對(duì)3#試件進(jìn)行不同溫度焊后熱處理，得出焊縫金相組織、硬度及晶粒尺寸分別如圖5～圖7所示。由圖5～圖7可看出，焊縫中心硬度最高為145HV，硬度從焊縫中心到母材依次降低，晶粒從焊縫中心到母材依次升高。對(duì)試件進(jìn)行了600℃、650℃、700℃保溫3h后爐冷的3種工藝焊后熱處理，可看出隨著溫度升高，焊縫硬度逐漸降低，在700℃保溫3h后爐冷熱處理后，試件各位置硬度逐漸保持一致，在130HV左右，但是晶粒隨著溫度升高而逐漸變大。

圖5 不同溫度焊后熱處理焊縫金相組織

圖6 不同溫度焊后熱處理試件的硬度

圖7 不同溫度焊后熱處理試件的晶粒尺寸

3.4 拉伸測(cè)試

通過(guò)對(duì)厚度為3m m樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（見(jiàn)圖8），結(jié)果見(jiàn)表3。從圖8和表3可看出，母材和試件的抗拉強(qiáng)度分別為302MPa和429MPa，屈服強(qiáng)度分別為268MPa和284MPa，伸長(zhǎng)率分別為59%和18.5%，在該焊接工藝下，試件強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率顯著降低，這是因?yàn)楹缚p位置受擠壓嚴(yán)重，晶格畸變嚴(yán)重，存在大量位錯(cuò)[6-8]；隨著熱處理溫度升高，試件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率先升高后降低。不同溫度焊后熱處理試件的斷口形貌如圖9所示。由圖9可知，斷口均存在韌窩，證明是塑性斷裂[8，9]。

圖8 不同溫度焊后熱處理的拉伸試樣

圖9 不同溫度焊后熱處理試件的斷口形貌

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

1）當(dāng)采用轉(zhuǎn)速150r/min 和焊接速度100mm/min參數(shù)時(shí)，焊縫的表面存在溝槽缺陷；當(dāng)采用轉(zhuǎn)速200r/min 和焊接速度50mm/min參數(shù)時(shí)，還會(huì)伴隨有較大飛邊出現(xiàn)；當(dāng)采用轉(zhuǎn)速150r/min 和焊接速度50mm/min 參數(shù)時(shí)，焊縫完好。

2）在轉(zhuǎn)速為150r/min、焊接速度為50mm/min的焊接工藝下，攪拌摩擦焊焊縫寬度為15mm，焊縫中心硬度最高為145HV，母材和試件的抗拉強(qiáng)度分別為302MPa和429MPa、屈服強(qiáng)度分別為268MPa和284MPa、伸長(zhǎng)率分別為59%和18.5%，硬度從焊縫中心到母材依次降低，晶粒尺寸從焊縫中心到母材依次升高。

3）對(duì)試件進(jìn)行了600℃、650℃、700℃保溫3h后爐冷的3種工藝焊后熱處理，隨著溫度升高，焊縫硬度逐漸降低，晶粒尺寸隨著溫度升高逐漸變大，試件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率先升高后降低。