鈦合金TC4線性摩擦焊的工藝探索

關(guān)鍵詞:鈦合金TC  線性摩擦焊  焊接工藝參數(shù)  顯微組織 

序言

鈦合金作為一種新材料,在航空、航天、電力、汽車和海洋等許多部門得到廣泛應(yīng)用，其中尤以TC4(Ti-6Al-4V)用途最廣泛。TC4屬于典型的α+β兩相鈦合金，由于其具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、塑性和沖擊韌性,已經(jīng)成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中不可或缺的重要材料。在TC4焊接方面，采用傳統(tǒng)焊接方法容易產(chǎn)生氣孔、氧化等焊接缺陷。線性摩擦焊是20世紀(jì)90年代中期興起的一種新型固態(tài)焊接技術(shù)，它突破了旋轉(zhuǎn)式摩擦焊對(duì)被焊工件外形軸對(duì)稱的限制，大大的擴(kuò)展了摩擦焊接的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。線性摩擦焊具有自清理、自保護(hù)的作用。目前，國(guó)內(nèi)還未見到關(guān)于鈦合金TC4線性摩擦焊的報(bào)道。本文主要研究探討了在鈦合金TC4線性摩擦焊過(guò)程中，有關(guān)工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量和顯微組織的影響。

1試驗(yàn)

材料采用鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）軋制板材。試樣尺寸為13mm×8mm×45mm的長(zhǎng)方體，焊接面(13mm×8mm)為線切割面。試驗(yàn)采用設(shè)備是西北工業(yè)大學(xué)自制的線性摩擦焊機(jī)。采用的工藝參數(shù)為：振動(dòng)頻率13.6～43Hz，摩擦壓力2.75～3.2 atm(壓力表指示值)，頂鍛力2.8～3.4 atm(壓力表指示值)，摩擦?xí)r間10～20s，振幅2mm。金相分析在NEOPHOT-Ⅰ型顯微鏡下進(jìn)行。

    焊后試件沿面Ⅰ、面Ⅱ(如圖1所示)剖開，通過(guò)剖面Ⅰ、面Ⅱ可以分別觀察到摩擦橫截面（與試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向垂直）和縱截面（與試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向平行）這兩個(gè)方向上的焊縫形狀。

2 結(jié)果分析討論

2.1工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程和接頭質(zhì)量的觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)：

摩擦壓力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率是焊接熱輸入的主要影響因素。當(dāng)摩擦壓力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率增加時(shí)，焊接熱量輸入也隨之顯著增加。

圖1 試件剖面示意圖

由于材料變形的局部性和不均勻性，壓力過(guò)大則會(huì)影響試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)增加塑性金屬的流出量，使飛邊增大，因此，不能采用太大的壓力值。在保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的條件下，提高往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率是增加熱輸入和提高焊縫質(zhì)量最有效的方法。

摩擦?xí)r間也是線性摩擦焊接過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，但延長(zhǎng)摩擦?xí)r間不是增加熱量輸入的最有效方法。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)、對(duì)流及高溫塑性金屬的擠出等因素的存在，使得焊接過(guò)程中存在一熱輸入熱輸出的平衡點(diǎn)。在熱平衡之前，增加摩擦?xí)r間對(duì)增加熱輸入有效，而在熱平衡點(diǎn)之后，增加摩擦?xí)r間對(duì)熱輸入作用不大。

頂鍛是摩擦焊接的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，頂鍛力也是影響焊縫成型的重要因素。在摩擦過(guò)程中，金屬摩擦副之間形成一層高溫粘塑性層，它是摩擦表面的“粘結(jié)”介質(zhì)[2]，通過(guò)頂鍛使金屬摩擦副牢固結(jié)合。若頂鍛力過(guò)大，使粘結(jié)介質(zhì)大量被擠出，焊接效果反而下降。

2.2 焊縫成型與飛邊的形成

摩擦界面橫截面和縱截面的形狀分別如圖2 (a)、(b)所示，圖3是部分放大的縱向飛邊。

(a)摩擦界面橫截面的形貌

(b) 摩擦界面縱截面的形貌

圖2 TC4摩擦焊焊縫形狀

圖3  部分放大的飛邊

從圖2(a)和(b)可以看出，截面上的焊縫成型均勻一致，沒(méi)有裂紋和未焊合缺陷。但無(wú)論橫截面還是縱截面，其邊緣均有明顯的變形，并產(chǎn)生飛邊,且飛邊大小不同，橫向飛邊比縱向飛邊小。從部分放大的縱向飛邊圖3可以看出，飛邊氧化后呈彩色，并有明顯的橫向條紋。

飛邊的形成主要受摩擦面溫度場(chǎng)和粘塑性應(yīng)變兩個(gè)因素的影響[3]，在摩擦初始階段摩擦表面的微凸體發(fā)生粘著、剪切，產(chǎn)生摩擦熱，表面局部的溫度開始升高；隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦面達(dá)到一定溫度時(shí)就形成一層高溫塑性金屬[2]。由于溫度場(chǎng)分布不均勻，塑性層厚度不均勻，相對(duì)而言，摩擦面內(nèi)部較厚，而邊緣較薄(邊緣熱散失的緣故)。在摩擦壓力和試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用下，部分塑性金屬被推出摩擦面。在平行試件運(yùn)動(dòng)的方向，有類似于機(jī)械加工中的“刨削”作用。由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行，縱向飛邊不斷向前推進(jìn)，并呈現(xiàn)明顯的橫向條紋。隨著摩擦的繼續(xù)進(jìn)行，溫度進(jìn)一步升高，塑性層的厚度也增加，在摩擦壓力的作用下，橫向邊緣的部分塑性金屬則沿橫向被擠出，形成橫向(垂直試件運(yùn)動(dòng)方向)飛邊。無(wú)論是被縱向擠出的塑性金屬或是被橫向擠出的塑性金屬，由于被擠出摩擦面時(shí)溫度較高，而鈦在600℃時(shí)可以與氧發(fā)生強(qiáng)烈作用，因而飛邊被氧化變色。

2.3 接頭的微觀組織

    圖4為鈦合金TC4線性摩擦焊界面縱向截面的低倍放大圖。從圖可以看出，焊合界面附近有不同程度的變形，按照其變形程度，可以分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。完全變形區(qū)和部分變形區(qū)在光學(xué)顯微鏡下的微觀組織結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示，母材的微觀組織如圖7所示。

從圖4、圖5、圖6和圖7可以看出：

完全變形區(qū)的晶粒細(xì)小且明顯被拉長(zhǎng)，這說(shuō)明TC4鈦合金在線性摩擦焊接過(guò)程中，不僅有塑性流動(dòng)的過(guò)程，而且存在動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶的過(guò)程。

圖4 摩擦焊界面縱向截面的低倍放大圖

圖5 完全變形區(qū)組織

部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動(dòng)趨勢(shì)，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細(xì)��；未變形區(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動(dòng)的趨勢(shì)。在部分變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。

由于TC4鈦合金熱傳導(dǎo)率較低，室溫下的熱傳導(dǎo)率約為7W/m·k，即使在1000℃下其熱傳導(dǎo)率也只有20 W/m·k。因此，部分變形區(qū)的溫度較低，這

造成該區(qū)塑性變形的難度增大；又由于TC4鈦合金的屈服應(yīng)力在低溫下較高而在800℃以上迅速降低，從而該區(qū)和未變形區(qū)之間產(chǎn)生了明顯界線。

圖6 部分變形區(qū)組織 

圖7母材組織

3結(jié)論

(1)利用線性摩擦焊方法成功地實(shí)現(xiàn)了鈦合金TC4的焊接,獲得了高質(zhì)量的焊接接頭。

(2)在線性摩擦過(guò)程中，摩擦壓力、振動(dòng)頻率、摩擦?xí)r間和頂鍛壓力對(duì)焊接質(zhì)量均有重要影響；在一定的范圍內(nèi),提高振動(dòng)頻率是增加熱量輸入和提高接頭質(zhì)量的有效途徑。

(3)線性摩擦焊的飛邊獨(dú)特。由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)、正壓力和摩擦力的共同作用，使縱向飛邊和橫向飛邊上均呈現(xiàn)有清晰的橫向條紋。

(4)鈦合金TC4線性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的變形，按照其變形程度，可以分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。完全變形區(qū)微觀組織細(xì)小致密，有明顯的塑性流動(dòng)趨勢(shì)。部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動(dòng)趨勢(shì)，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細(xì)�。晃醋冃螀^(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動(dòng)的趨勢(shì)。在部分變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。