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摘 要：本文采用搅拌摩擦焊接工艺对航空航天工业应用最广泛的TC4钛合金进行了焊接，设计了用于钛合金搅拌摩擦焊的气体保护装置，确定了合适的搅拌摩擦焊工艺参数。对其焊缝的成形特点、组织特征和力学性能进行分析。结果表明，当旋转速度为475rpm、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾角为3°时，可获得表面成形良好的焊缝；搅拌头在焊接过程中的磨损较为严重。
前言
钛合金具有密度小、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀等优异性能，被誉为“太空金属”、“海洋金属”，广泛应用于航空航天、船舶、石油、化工等领域，是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料[1]。钛合金采用常规熔焊方法焊接时，易出现焊件变形大，接头残余内应力大，组织粗大化，焊缝易产生气孔等缺陷，导致接头的塑性和韧性下降。因此，对于钛及其合金的焊接宜采用固相连接技术。
搅拌摩擦焊接（Frictiong stir welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（The welding institute，简称TWI）于1991年发明的新型固相焊接技术，已在航空航天、车辆、造船等行业得到了大量成功应用。在FSW过程中工件不熔化, 无熔焊缺陷，焊缝为致密的锻造组织, 且实现了用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接[2-4]。该技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接，近年来开始向钢、镍基合金和钛合金等高熔点材料转移[5, 6]。高熔点材料在FSW过程中，搅拌头将经历较高温度和克服更大阻力，要求搅拌头具有良好的高温综合性能。文中选用镍基高温合金搅拌头，采用自制的气体保护装置对TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊连接，研究了TC4钛合金的搅拌摩擦焊工艺。
2试验方法
试验选用TC4钛合金板材，轧制退火态，试样尺寸为232mm×75mm×2mm，其主要化学成分如附表所示。
试验在X53K型立式铣床改制的搅拌摩擦焊设备上进行，试验使用了两种搅拌头，其材料为定向凝固镍基高温合金，具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能，搅拌针的形状分别为光面圆柱形和锥形，搅拌头的尺寸如图1所示。 （图片） 焊前对接缝面的氧化膜给予机械清除，光洁处理后用丙酮清洗，除去油污。焊接过程中采用氩气进行动态保护，图2为钛合金FSW气体保护装置。（图片） 氩气从压板和底板的进气口流入, 通过导流槽后分别流向待焊工件的正面和背面，对工件的背面和正面同时进行保护。焊前预先通入氩气，由于氩气的密度大于空气（ρAr=1.784kg/m3, ρ空=1.293kg/m3），在有机玻璃罩的隔离下，通入的氩气向下沉降后将工件与空气隔离，在工件附近形成氩气保护氛围，从而避免工件在焊接过程中发生氧化。
对焊接后的试样采用线切割沿焊缝横向取金相试样，经磨抛后用Kroll 试剂进行侵蚀；用XJP-2C型金相显微镜进行显微组织观察；利用HVS-1000 显微硬度仪进行焊接接头显微硬度测定，试验力为2.942N，加载时间10s。
3 试验结果及分析
3.1 焊缝形貌
图3为采用Ⅰ型搅拌头进行FSW 获得的焊缝形貌。从图中可以看出焊缝表面存在氧化现象，氧化后呈浅黄色，少量为深蓝色。这主要与氩气保护的力度及气体流动的不均匀性有关, 因此，焊接过程中必须对焊接区域及尚处于高温状态的焊缝进行保护。
TC4钛合金FSW接头横截面形貌呈典型“碗”状结构，表层为轴肩摩擦作用区（约0.5mm厚），中间为搅拌针作用区，如图3（b）所示；钛合金FSW接头形貌异于铝合金，轴肩对焊缝两侧底部金属的影响作用较小，两侧底部的金属还保持为母材组织，在热输入量充分的情况下应适当减小搅拌头轴肩的尺寸。（图片） 3.2 组织分析
图4所示为TC4钛合金FSW接头微观组织。在光学显微镜（OM）下，白色区域与灰色区域分别代表母材微观组织的初生α相和转变β相。图4 （b)所示为轴肩作用区的组织，与母材相比其灰色区域明显减少，由于钛合金材料的导热率较低，轴肩摩擦产生的热量沿材料厚度方向上不易散失，使轴肩摩擦作用区在高温下停留时间较长，在力和热的作用下轴肩摩擦作用区的组织发生了β相变。
接头微观组织中未观察到热机影响区（TMAZ），在搅拌区（SZ）与热影响区（HAZ）之间存在明显的过渡线（LB），其两侧微观组织变化非常明显，如图4（c）所示。（图片） 3.3 焊缝成形分析
3.3.1 压入量
压入量对金属流动的影响很大，图5为不同压入量的焊缝表面形貌。压入量不足时，轴肩与工件间不能形成封闭的空间，已塑化的金属在压力作用下从空隙中“溢出”，由于没有足够的金属进行补充，使焊缝表面出现沟槽缺陷；当压入量过大时，已经塑化的金属在压力作用下“溢出”，并在返回侧堆积，增加了返回侧的飞边量，如图5（b）所示。（图片） 3.3.2搅拌头倾斜角度
图6为不同倾角下的焊缝表面形貌, 从图中可以看出随着倾角的增大，焊缝表面被塑化金属的覆盖区域不断增大，当倾角增大到3°时，焊缝表面质量较好且成形稳定。改变搅拌头的倾斜角度能产生不同的流动形态，在一定范围内随着倾角的增大，上层金属流动范围也将增大。搅拌头的倾斜角度较小时，搅拌头轴肩前端的金属易向上挤出，转化成飞边，减少了轴肩凹槽内部的塑化金属量，从而影响了焊缝的成形。（图片） 3.4 硬度测试
图7为焊接接头的显微硬度。从中可以看出，接头各区域的显微硬度差别不大，搅拌区的硬度值略高，返回侧的硬度比前进侧略为稳定。（图片） 分析认为，搅拌区在热和搅拌力的双重作用下发生了β相变，产生了细小的二次β晶粒，而二次β晶粒的大小对α+β双相结构材料的机械性能起主导作用，从而使搅拌区的硬度略高一些；与前进侧相比，返回侧的硬度值趋于稳定，这与塑化金属在两侧的顺序填充有关，返回侧先于前进侧填充，而造成两侧焊缝金属的致密度略微不同。
图8为不同旋转速度下接头的显微硬度，随着旋转速度的提高，二次β晶粒的尺寸不断增大，使得搅拌区的硬度略有下降。（图片） 3.5 搅拌头的磨损
图9所示为搅拌头的磨损情况，从图中可以看出搅拌头在FSW过程中发生了剧烈的磨损，使搅拌头的原始形貌逐渐消失。摩擦产生的热量沿工件厚度方向存在不均匀性，表面温度比底部高得多，搅拌针受到材料流动的阻力相对较大，导致搅拌针的磨损量比轴肩大，如图9（b）所示。在焊接400mm之后搅拌头的磨损比较严重，需再次加工后才能满足使用要求。
此外，由于搅拌头长时间处于高温状态，当下压量过大时，搅拌易发生变形而失效，如图9（d）箭头方向所示，失效后搅拌针的直径大于原始尺寸，轴肩部分也发生了严重的磨损。（图片） 4结束语
4.1 用镍基高温合金材料制作的搅拌头在焊接过程中的磨损较为严重，搅拌头在焊接约400mm之后因磨损比较严重而失效。
4.2 当旋转速度为475rpm、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾角为3°时，可获得表面成形良好的焊缝。
4.3 对焊接接头显微硬度的测试结果表明，搅拌区相对其它区域的硬度值要高一些，主要与二次β晶粒的形成有关。
致谢：本论文获得了轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室开放基金（gf200901001）的资助。
参考文献
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[3] Mishra R S, Ma Z Y. Friction stir welding and processing [J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2005, 50(1~2): 1~78.
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[5] 栾国红,柴鹏,孙成斌. 钛合金的搅拌摩擦焊探索 [J]. 焊接学报, 2005, 26(11):83~88.
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6/20/2012
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