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TC4薄板钛合金搅拌摩擦焊接工艺研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11   来源:1-湖北三江航天红阳机电有限公司;2-先进焊接技术湖北省重点   作者:李宝华1、2 李悦煌2 曾 俊2 李继忠3 仇一卿1、2 刘礼军
本文采用钨-铼合金材质的搅拌头对1.5mm厚TC4钛合金在不同的焊接参数下进行了搅拌摩擦焊接试验,并对焊缝进行X射线检测、金相组织观察及力学性能测试。结果表明:旋转速度为100rpm、焊接速度为20mm/min进行焊接时,可获得优质的焊缝接头,其抗拉强度为1174.5MPa,延伸率为5.16%,焊核区由粗大的α相和β相经过相转变在立方晶格α钛合金中形成的过饱和马氏体组成。随着旋转速度和焊接速度的提高,焊缝根部出现了未焊透或未完全熔合缺陷,焊缝的强度和延伸率均降低,拉伸断裂型式从沿着拉伸方向约呈45°角断裂
序    言
        随着该技术研究的不断发展,国内外已经将高熔点合金搅拌摩擦焊技术作为近年来研究的新领域。由于钛合金的密度小、强度高、耐蚀性好、热强度高,在航空航天领域中得到越来越多地应用,钛的性质活泼,熔点高、热容量较小、导热系数小,高温下与氧、氮、氢反应速度较快,焊接性能较差。目前主要的焊接方法有钨极氩弧焊、电子束焊、激光焊接等,在国内钛合金的搅拌摩擦焊接工艺研究及工程化应用还相对较少。本文采用钨-铼合金材质的搅拌头,对1.5mm薄板钛合金开展搅拌摩擦焊接工艺试验,以摸索焊接工艺参数对薄板钛合金焊缝成形及性能的影响。
 
1    实验材料及方法
        试验选用1.5mm厚的TC4钛合金板,试板尺寸为100mm×200mm。焊前对钛合金试板进行酸洗,并对焊接对合面进行刮削,去除氧化物等杂质。选用钨-铼合金材质的搅拌头,其轴肩直径为15mm,搅拌针长为1.4mm,端部直径3mm, 根部直径为8mm。

        由于钛合金搅拌摩擦焊过程焊接温度较高,焊接过程中搅拌头呈现火红色,参见图1所示,为防止焊缝在焊接过程中氧化,采用氩气对搅拌头及焊缝进行表面防护。焊接过程中主轴倾角为2.5°,由于钛合金板厚较小,为了限制焊接温度过高,选取焊接转速在100~200rpm,焊接速度选择在20~50mm/min。焊后对焊缝进行X 射线检测、金相组织分析及力学性能测试。
 

 
2    实验结果与分析
2.1    焊缝表面形貌分析
        图2为5组不同焊接参数下的焊缝表面形貌,从图中可以看出,图2(a)~图2(d)试板所选用的参数焊接过程稳定,表面成形良好,并且在氩气保护条件下焊缝氧化不明显,只在焊缝边缘出现了少量氧化现象。从图2(e)中还可以看出,在旋转速度为200rpm、焊接速度为40 mm/min的工艺参数下,焊缝表面粗糙,表面成形不光滑,这是由于焊接热输入量相对较大,导致焊缝表面材料粘度增加,焊接过程中材料粘着在搅拌头上,在冷却过程中粘着焊缝表面,造成焊缝表面质量较差。此外,由于焊接温度相对较高,导致焊缝表面也出现了轻微氧化现象。

        图3为5组不同焊接参数下焊缝X射线检测底片结果。从图3(a)和图3(b)中可以发现,在旋转速度和焊接速度较小时,焊缝X射线底片检测结果良好,焊缝内未发现缺陷。当旋转速度增大至150rpm,焊接速度为30mm/min时,图3(c)焊缝内部出现了高密度夹杂缺陷,这是由于搅拌头的磨损所致。当焊接速度进一步增大至50mm/min时,图3(d)中焊缝内出现了一条规则的黑线,这表明焊缝根部存在未焊透缺陷。而当进一步增加热输入量时,即在旋转速度为240rpm,焊接速度为40mm/min时,图3(e)中焊缝内部出现了局部未熔合和高密度夹杂缺陷,但是在焊缝表面出现了较大的波纹,这是由于焊接热输入量较大,导致焊缝表面材料流动不稳定,从而使接过程中主轴晃动较大,在焊缝表面出现了较大的波纹。


 
2.2    焊缝金相组织分析
        图4为5组不同参数条件下焊缝横截面宏观形貌。图4(a)和图4(b)所采用的焊接参数焊后焊缝横截面成形良好,焊缝上表面出现了轴肩摩擦留下的齿状形貌,焊缝根部也未出现未焊透缺陷。在旋转速度为150rpm,焊接速度为30mm/min时,图4(c)焊缝底部出现了波纹形黑色条纹,这是由于搅拌针端部与材料未完全搅拌充分而残留的界面,导致焊缝底部未完全熔合。随着旋转速度和焊接速度进一步提高,如图4(d)所示,虽然焊接表面成形良好,但是焊缝根部出现了明显的疏松和隧道型缺陷,当增大旋转速度,降低焊接速度时,图4(e)焊缝根部出现了局部未熔合缺陷,而且焊缝表面粗糙不平,出现了不规则齿状形貌。通过以上试验结果对比分析,X射线检测结果与焊缝横截面之间具有较好的匹配关系,即X射线检测有黑色条带的试板,在焊缝内部相应表现为根部未焊透或者隧道缺陷,其中未焊透缺陷表现为规则细条纹,而隧道缺陷则表现为较宽的条带状黑色区域。

        为了进一步分析焊缝内部组织特征,选取了图4(a)所示的金相进行了微观组织观察,并对每个特征区域进行了分析,如图5所示。图5(a)是母材显微组织,从图中可以看出,在母材中同时存在α、β两相,α相呈等轴晶分布,β相分布主要分布在α相的边界处。图5 (b)为焊核区显微组织,该区域受搅拌针的剧烈搅拌摩擦作用,该区域的相组织分布发生了变化,不是α、β两相,而是粗大的α相,是β经过相转变在立方晶格α钛合金中形成的过饱和马氏体。图5(c)为前进侧和母材过渡区的显微组织形貌,可以看出焊接过程中主要受到热和塑性变形的双重影响,母材和焊核区之间形成了明显的界限,该区域之间几乎没有热机影响区,只有非常狭窄的热影响区。图5(d) 是后退侧与母材之间过渡区,与前进侧相比,该区域的过渡较平缓,该区域的组织又出现α、β两相,而β相的比例较母材有明显的减少。


 
2.3    力学性能分析
        为了评估焊缝接头力学性能,对每组参数焊接的试板截取了拉伸试样,其测试结果参见附表。其中序号1#~5#分别对应在图2(a)~2(e)试板上截取的拉伸试样。从表中可以看出,1#和2#试样拉伸强度和延伸率均较高,其中1#拉伸试样的强度高达1174.5MPa,延伸率为5.16%, 3# 和4#试样拉伸强度和延伸率均较低,由于4#试样焊缝根部存在未焊透缺陷,其强度仅为826.25 MPa,延伸率仅为1.48%,5#拉伸试样相比1#和2#试样而言,其强度和延伸率均降低,这是由于焊缝根部存在局部未熔合的缺陷所致,其中延伸率的降幅较大。


 
        图6为1#~5#拉伸试样的断裂残骸,从图中可以看出,1#和2#拉伸断裂型式均与沿拉伸方向约呈45°角断裂,其断裂形式与铝合金等低熔点合金不同,低熔点合金通常断裂在热影响区或热机影响区,而钛合金拉伸均在焊缝内断裂。对于3#、4#拉伸试样,由于焊缝内均有不同型式的缺陷存在,焊缝拉伸断口与拉伸方向基本垂直,端口较平整,焊缝塑性较差,而5#拉伸试样断口与拉伸方向呈现一定的倾斜,但塑性仍较低,其延伸率仅为2.4%。
 

 
3    结束语
3.1    对于1.5mm厚TC4钛合金,选用钨-铼合金材质的搅拌头,在旋转速度为100rpm、焊接速度为20mm/min进行焊接时,可获得优质的焊缝接头,其抗拉强度为1174.5MPa,延伸率为5.16%。

3.2    钛合金搅拌摩擦焊缝焊核区是粗大的α相和β相经过相转变在立方晶格α钛合金中形成的过饱和马氏体。前进侧和母材过渡区之间形成了明显的界限,该区域之间几乎没有热机影响区,只有非常狭窄的热影响区。返回侧区域的过渡较平缓,出现了α、β两相,而β相的比例较母材有明显的减少。

3.3    随着旋转速度和焊接速度的提高,焊缝根部出现了未焊透或未完全熔合缺陷,焊缝的强度和延伸率均降低,拉伸试样断裂型式也发生了改变,拉伸断裂型式从沿着拉伸方向约呈45°角断裂转变为垂直于拉伸方向断裂。
 
 
 
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