钛合金TC4线性摩擦焊的工艺探索

摘要:本文对钛合金TC4(Ti-6Al-4V)的线性摩擦焊进行了初步研究，分析了焊接工艺参数对热输入和焊接质量的影响，指出了线性摩擦焊飞边的特点及其形成原因；对典型焊件的显微组织进行了观察分析；指出按照焊合界面附近的变形程度可以将其分为完全变形区、部分变形区和未变形区。 关键词:钛合金TC  线性摩擦焊  焊接工艺参数  显微组织  序言钛合金作为一种新材料,在航空、航天、电力、汽车和海洋等许多部门得到广泛应用，其中尤以TC4(Ti-6Al-4V)用途最广泛。TC4属于典型的α+β两相钛合金，由于其具有较高的比强度、优良的综合机械性能、塑性和冲击韧性,已经成为制造航空发动机制造中不可或缺的重要材料。在TC4焊接方面，采用传统焊接方法容易产生气孔、氧化等焊接缺陷。线性摩擦焊是20世纪90年代中期兴起的一种新型固态焊接技术，它突破了旋转式摩擦焊对被焊工件外形轴对称的限制，大大的扩展了摩擦焊接的应用领域[1]。线性摩擦焊具有自清理、自保护的作用。目前，国内还未见到关于钛合金TC4线性摩擦焊的报道。本文主要研究探讨了在钛合金TC4线性摩擦焊过程中，有关工艺参数对接头质量和显微组织的影响。 1试验材料采用钛合金TC4（Ti-6Al-4V）轧制板材。试样尺寸为13mm×8mm×45mm的长方体，焊接面(13mm×8mm)为线切割面。试验采用设备是西北工业大学自制的线性摩擦焊机。采用的工艺参数为：振动频率13.6～43Hz，摩擦压力2.75～3.2 atm(压力表指示值)，顶锻力2.8～3.4 atm(压力表指示值)，摩擦时间10～20s，振幅2mm。金相分析在NEOPHOT-Ⅰ型显微镜下进行。     焊后试件沿面Ⅰ、面Ⅱ(如图1所示)剖开，通过剖面Ⅰ、面Ⅱ可以分别观察到摩擦横截面（与试件往复运动方向垂直）和纵截面（与试件往复运动方向平行）这两个方向上的焊缝形状。 2 结果分析讨论 2.1工艺参数对焊缝质量的影响 通过对焊接过程和接头质量的观察分析，可以发现：

摩擦压力和往复运动频率是焊接热输入的主要影响因素。当摩擦压力和往复运动频率增加时，焊接热量输入也随之显著增加。

图1 试件剖面示意图

由于材料变形的局部性和不均匀性，压力过大则会影响试件往复运动的稳定性，同时也会增加塑性金属的流出量，使飞边增大，因此，不能采用太大的压力值。在保证运动平稳的条件下，提高往复运动的频率是增加热输入和提高焊缝质量最有效的方法。

摩擦时间也是线性摩擦焊接过程中的一个重要参数，但延长摩擦时间不是增加热量输入的最有效方法。因为热传导、对流及高温塑性金属的挤出等因素的存在，使得焊接过程中存在一热输入热输出的平衡点。在热平衡之前，增加摩擦时间对增加热输入有效，而在热平衡点之后，增加摩擦时间对热输入作用不大。

顶锻是摩擦焊接的最后一个环节，顶锻力也是影响焊缝成型的重要因素。在摩擦过程中，金属摩擦副之间形成一层高温粘塑性层，它是摩擦表面的“粘结”介质[2]，通过顶锻使金属摩擦副牢固结合。若顶锻力过大，使粘结介质大量被挤出，焊接效果反而下降。

2.2 焊缝成型与飞边的形成

摩擦界面横截面和纵截面的形状分别如图2 (a)、(b)所示，图3是部分放大的纵向飞边。

(a)摩擦界面横截面的形貌

(b) 摩擦界面纵截面的形貌

图2 TC4摩擦焊焊缝形状

图3  部分放大的飞边

从图2(a)和(b)可以看出，截面上的焊缝成型均匀一致，没有裂纹和未焊合缺陷。但无论横截面还是纵截面，其边缘均有明显的变形，并产生飞边,且飞边大小不同，横向飞边比纵向飞边小。从部分放大的纵向飞边图3可以看出，飞边氧化后呈彩色，并有明显的横向条纹。

飞边的形成主要受摩擦面温度场和粘塑性应变两个因素的影响[3]，在摩擦初始阶段摩擦表面的微凸体发生粘着、剪切，产生摩擦热，表面局部的温度开始升高；随着摩擦的进行，摩擦面达到一定温度时就形成一层高温塑性金属[2]。由于温度场分布不均匀，塑性层厚度不均匀，相对而言，摩擦面内部较厚，而边缘较薄(边缘热散失的缘故)。在摩擦压力和试件往复运动的作用下，部分塑性金属被推出摩擦面。在平行试件运动的方向，有类似于机械加工中的“刨削”作用。由于往复运动周期进行，纵向飞边不断向前推进，并呈现明显的横向条纹。随着摩擦的继续进行，温度进一步升高，塑性层的厚度也增加，在摩擦压力的作用下，横向边缘的部分塑性金属则沿横向被挤出，形成横向(垂直试件运动方向)飞边。无论是被纵向挤出的塑性金属或是被横向挤出的塑性金属，由于被挤出摩擦面时温度较高，而钛在600℃时可以与氧发生强烈作用，因而飞边被氧化变色。

2.3 接头的微观组织

    图4为钛合金TC4线性摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图。从图可以看出，焊合界面附近有不同程度的变形，按照其变形程度，可以分为完全变形区、部分变形区和未变形区。完全变形区和部分变形区在光学显微镜下的微观组织结构分别如图5和图6所示，母材的微观组织如图7所示。

从图4、图5、图6和图7可以看出：

完全变形区的晶粒细小且明显被拉长，这说明TC4钛合金在线性摩擦焊接过程中，不仅有塑性流动的过程，而且存在动态恢复和再结晶的过程。

图4 摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图

图5 完全变形区组织

部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势，晶粒比完全变形区粗大，但仍比母材的晶粒细小；未变形区微观组织与母材类似，不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线。

由于TC4钛合金热传导率较低，室温下的热传导率约为7W/m·k，即使在1000℃下其热传导率也只有20 W/m·k。因此，部分变形区的温度较低，这

造成该区塑性变形的难度增大；又由于TC4钛合金的屈服应力在低温下较高而在800℃以上迅速降低，从而该区和未变形区之间产生了明显界线。

图6 部分变形区组织 

图7母材组织

3结论

(1)利用线性摩擦焊方法成功地实现了钛合金TC4的焊接,获得了高质量的焊接接头。

(2)在线性摩擦过程中，摩擦压力、振动频率、摩擦时间和顶锻压力对焊接质量均有重要影响；在一定的范围内,提高振动频率是增加热量输入和提高接头质量的有效途径。

(3)线性摩擦焊的飞边独特。由于往复运动、正压力和摩擦力的共同作用，使纵向飞边和横向飞边上均呈现有清晰的横向条纹。

(4)钛合金TC4线性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的变形，按照其变形程度，可以分为完全变形区、部分变形区和未变形区。完全变形区微观组织细小致密，有明显的塑性流动趋势。部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势，晶粒比完全变形区粗大，但仍比母材的晶粒细小；未变形区微观组织与母材类似，不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线。