鈦合金/鋁合金異種金屬的攪拌摩擦焊接

　　采用攪拌摩擦焊對(duì)TC1鈦合金和LF6鋁合金異種材料進(jìn)行了連接，研究了工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成 形、焊接接頭橫截面形貌和接頭的抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，鈦合金/鋁合金異種材料焊接難度較大，容易產(chǎn)生裂紋、溝槽等缺陷，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n為750r/min和950r/min,且焊接速度v為118mm/min和150mm/min時(shí)均能獲得較好的焊縫表面成形，但n 為750r/min時(shí)焊接接頭橫截面鈦/鋁的界面結(jié)合不好，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度很低。當(dāng)n為950r/min、v為1118mm/min 時(shí)鈦合金/鋁合金異種材料攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度最高，為131.1MPa。

　　鋁合金、鈦合金是航空航天、能源等高新技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的金屬材料，其中鈦合金有許多獨(dú)特的 優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、抗沖擊等，成為航空航天重點(diǎn)發(fā)展的新材料之一[1]。減輕重量、提高推重比、增加有效載荷等一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求 的目標(biāo)，國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，二、三、四代軍用戰(zhàn)斗機(jī)各類金屬結(jié)構(gòu)材料的用量中鈦合金用量大幅度上升至達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的38.8%[2]。鈦合金研究與 推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一是鈦與異種金屬的焊接問題。針對(duì)航空材料特殊性能的要求，將鈦合金與鋁合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮兩種金屬不同的性能優(yōu)勢(shì)，能大大提 高航空航天領(lǐng)域?qū)�結(jié)構(gòu)件性能的要求，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在未來航空結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

　　然而，鈦合金與鋁合金都 是活性、極易氧化的金屬，兩者熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)以及晶體結(jié)構(gòu)等物理性能差異很大，采用常規(guī)的焊接方法難以獲得滿足使用性能要求的焊接接頭。目前， 國內(nèi)外采用電弧熔釬焊[3]、激光熔釬焊[4]、固態(tài)擴(kuò)散焊[5]、液相擴(kuò)散焊[6]等方法對(duì)鈦和鋁異種材料的焊接進(jìn)行了研究。攪拌摩擦焊是一種固態(tài)擴(kuò)散 焊接方法，基本不受材料的物理化學(xué)性能、機(jī)械性能、晶體結(jié)構(gòu)等的影響，對(duì)克服不同材料性能差異帶來的焊接困難具有極大的優(yōu)勢(shì)，比較適合于異種材料的連接。 本文采用攪拌摩擦焊方法對(duì)鈦合金、鋁合金異種金屬進(jìn)行了連接，研究了工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形、焊接接頭橫截面形貌和抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，為獲得較好的工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。

　　1 試驗(yàn)條件及方法

　　試驗(yàn)材料為LF6 鋁合金和TC1鈦合金,試板厚度均為2.0mm。試驗(yàn)采用的攪拌頭用高溫合金制成，攪拌頭軸肩直徑為13mm，探針直徑為5mm。用自制的焊接夾具在銑床 改裝的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度n 選用600r/min～1180r/min，焊接速度v 選用95mm/min～190mm/min,攪拌頭傾角為2°。攪拌摩擦焊時(shí)，將鈦合金置于前進(jìn)邊、鋁合金置于返回邊，攪拌針偏移量為0.5mm，即攪拌 針邊緣與鈦合金-鋁合金對(duì)接縫的距離為0.5mm。焊后觀察焊縫表面成形情況，沿垂直于焊縫橫截面方向截取金相試樣，采用××腐蝕劑對(duì)接頭進(jìn)行侵蝕，觀察 接頭橫截面形貌。按國標(biāo)GB/T 2651-2008 加工拉伸試樣，在WDW-50型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試焊接接頭的強(qiáng)度。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形的影響

　　當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n 為1180r/min、焊接速度v 在95mm/min～190mm/min 范圍內(nèi)變化時(shí)，焊后在焊縫偏向鈦合金一側(cè)都會(huì)出現(xiàn)縱向裂紋，如圖1 所示。分析認(rèn)為，對(duì)于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，裂紋的產(chǎn)生與焊縫中金屬間化合物的形成有關(guān)。Ti、Al 均是活性元素，根據(jù)Ti-A1 二元相圖， Ti 與Al 能形成TiAl、Ti3Al、Al3Ti 等多種金屬間化合物。攪拌摩擦焊時(shí)，攪拌頭與工件間的摩擦熱使焊縫溫度提高，同時(shí)，焊縫區(qū)的Ti 與Al 在攪拌頭的作用下混合，并經(jīng)歷劇烈塑性變形，二者的綜合作用使焊縫在固態(tài)下形成Ti-Al 金屬間化合物，大量脆性金屬間化合物的存在使得焊縫變脆，在焊接應(yīng)力作用下導(dǎo)致焊縫開裂。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越高，攪拌頭與工件間的摩擦發(fā)熱量越多，焊縫中形 成的金屬間化合物也就越多，焊縫開裂的可能性越大。因此當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1180r/min 時(shí)，焊縫極易開裂。

　　當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度降低 到600r/min、焊接速度在95mm/min～190mm/min范圍內(nèi)變化時(shí)，焊縫表面粗糙、兩側(cè)有較多的飛邊且出現(xiàn)溝槽型缺陷，如圖2所示。分析 其原因是，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低時(shí)單位長度焊縫上摩擦產(chǎn)生的熱量過少.焊縫區(qū)溫度偏低，不能形成A1/Ti塑性狀態(tài)下的連接，從而使接頭出現(xiàn)溝槽型缺陷。

　　大量工藝試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min 和950r/min 時(shí)，焊接速度為118mm/min 和150mm/min 時(shí)能獲得較好的焊縫表面成形，如圖3 和圖4 所示。當(dāng)焊接速度提高到190mm/min 時(shí)由于熱量不夠也會(huì)出現(xiàn)溝槽型宏觀缺陷。

　　2.2 工藝參數(shù)對(duì)橫截面形貌的影響

　　在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min 和950r/min、焊接速度為118mm/min 和150mm/min 的焊接試樣上截取金相試樣，觀察焊接接頭橫截面形貌，如圖5 所示。由圖可知，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min、焊接速度為118mm/min 時(shí)(圖5a)，在焊核區(qū)存在部分鈦，但鈦合金/鋁合金之間存在清晰的界面，且界面線與木材表面垂直，表明在攪拌摩擦焊過程中鈦合金、鋁合金沒有充分?jǐn)嚢琛?混合;當(dāng)焊接速度提高到150mm/min 時(shí)(圖5b),軸肩下方鈦合金/鋁合金界面處存在裂紋。

　　當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950r/min、焊接速度為118mm/min 時(shí)(圖5c)，鈦合金/鋁合金界面處結(jié)合良好，且只有少數(shù)鈦合金進(jìn)入了焊縫，而當(dāng)焊接速度提高到150mm/min 時(shí)(圖5d), 靠近鈦合金母材一側(cè)的焊縫中存在大量的鈦，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致焊縫中存在較多的鈦/鋁金屬間化合物，降低接頭的強(qiáng)度。

　　2.3 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度

　　在 成形較好的四組參數(shù)(攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min和900r/min、焊接速度為118mm/min 和150mm/min)的焊接試樣上制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，測(cè)試焊接接頭的強(qiáng)度，每組參數(shù)取三個(gè)試樣以其平均值作為該組參數(shù)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見表1。 由表1 結(jié)果可知，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min、焊接速度為118mm/min 時(shí)接頭強(qiáng)度最低，有兩個(gè)試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上裝夾時(shí)即斷裂了，表明該組參數(shù)焊接接頭中鈦/鋁沒有很好的結(jié)合，這和焊接接頭橫截面形貌觀察結(jié)果是一致的。攪拌 頭旋轉(zhuǎn)速度為950r/min、焊接速度為118mm/min時(shí)接頭強(qiáng)度最高，為131.1MPa，但遠(yuǎn)低于LF6 鋁合金母材的強(qiáng)度(314MPa)和TC1 鈦合金母材的強(qiáng)度(600MPa)。因此，對(duì)于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，需要進(jìn)一步采取措施(如攪拌頭設(shè)計(jì)、添加中間層材料等)提高接頭的強(qiáng) 度才有可能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

　　3 結(jié)論

　　(1) 對(duì)于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過高時(shí)焊縫表面易產(chǎn)生縱向裂紋，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低時(shí)焊縫表面粗糙且出現(xiàn)溝槽型缺陷。當(dāng)攪拌頭旋 轉(zhuǎn)速度為750r/min和900r/min時(shí)，焊接速度為118mm/min和150mm/min時(shí)能獲得較好的焊縫表面成形。

　　(2)當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min、焊接速度分別為118mm/min和150mm/min時(shí)，鈦合金/鋁合金的界面結(jié)合不是很好，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度很低。

　　(3)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950r/min、焊接速度為118mm/min時(shí)鈦合金/鋁合金異種材料攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度最高，為131.1MPa。