鈦合金攪拌摩擦焊研究進展

王玉曉,岳玉梅,姬書得,呂贊,溫泉

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部,沈陽110136)

鈦合金攪拌摩擦焊研究進展

王玉曉,岳玉梅,姬書得,呂贊,溫泉

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部,沈陽110136)

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術,具有低應力、小變形、綠色環(huán)保等優(yōu)點。在航空、航天等領域廣泛應用的鈦合金材料的攪拌摩擦焊技術,是目前國內外研究的熱點與難點。主要從焊接接頭的顯微組織、力學性能、攪拌頭磨損和復合工藝這幾個方面,介紹了鈦合金攪拌摩擦焊的研究進展,并對該技術未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

鈦合金;攪拌摩擦焊;顯微組織;力學性能

由于具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕性能好等優(yōu)點,鈦合金被廣泛應用于航空、航天、船舶、化工等領域[1—3]。目前鈦合金的焊接方法主要是熔化焊,例如鎢極氬弧焊、等離子弧焊、激光焊、電子束焊等,但是焊件變形大,焊縫容易出現氣孔、夾渣、裂紋等缺陷,不利于高質量的焊接[4—5]。

攪拌摩擦焊 (Friction stir welding,FSW)是基于摩擦焊技術的原理,由英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相連接技術[6]。FSW具有攪拌區(qū)晶粒細小、焊接性能好、殘余應力低、工件變形小、無污染、無需焊絲、焊前準備工作少、易于實現自動化等優(yōu)點,自問世以來得到了迅速發(fā)展,被譽為21世紀最具革命性的焊接技術,已經成功應用于所有牌號的鋁合金等低熔點材料的焊接[7—8]。作為高熔點材料,鈦合金FSW技術始終受到國內外學者的關注,并取得了一定的研究成果,但是目前還處于探索階段,技術儲備尚未達到工程應用的程度[9—10]。文中以TC4鈦合金為對象,主要從焊接接頭的微觀組織、力學性能、攪拌頭磨損和復合工藝等幾個方面,介紹國內外鈦合金FSW的研究現狀。

1 微觀組織

對于鈦合金的FSW來說,焊接接頭橫截面形貌多呈現典型的“碗”狀結構,如圖1所示,整體形貌與攪拌針的形狀特征相似;整個接頭形貌基本上沿焊縫中心對稱,前進側與后退側基本一致。焊接接頭的微觀組織結構與力學性能密切相關,因此對接頭焊核區(qū)或熱(機)影響區(qū)的微觀組織研究較多[11—14]。

圖1 焊縫接頭截面宏觀組織Fig.1 Macrostructure ofweld in cross section

趙強等人[12]研究了4 mm厚的TC4鈦合金FSW接頭的微觀組織,研究表明:攪拌區(qū)的組織為原始β相、轉變β相和片狀α相;攪拌區(qū)不同位置的微觀組織不同,中間的晶粒相對粗大,上部和下部的晶粒細小,接近表層的組織更加細小;熱機影響區(qū)由于熱和塑性變形的雙重作用,原來的帶狀α相經過動態(tài)再結晶轉變?yōu)榧毿〉牡容Sα相晶粒;熱影響區(qū)由于熱的作用,β相增多而α相減少。

事實上,鈦合金FSW的顯微組織形態(tài)與焊接溫度峰值密切相關。Esmaily等人[13]對Ti-6Al-4V鈦合金進行FSW探索,發(fā)現當焊縫溫度峰值低于β相變溫度時,焊縫區(qū)出現α+β雙態(tài)組織;當焊縫區(qū)溫度峰值超過β相變溫度時,攪拌區(qū)出現了次生α馬氏體組織。王快社等人[14]的研究結果表明,當焊縫的最高溫度沒有超過相變溫度,攪拌區(qū)與TC4鈦合金母材的過渡區(qū)存在大量的α/β界面相和界面產物。

以上研究的鈦合金FSW的焊縫區(qū)域均有熱機影響區(qū)的存在,但是鈦合金的FSW接頭中,有時并沒有觀察到熱機影響區(qū)的存在。周利等人[15]對不同氫含量的TC4鈦合金進行了FSW研究,觀察到焊縫截面形狀基本相同,接頭分為3個區(qū)域:攪拌區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。置氫可以改善焊縫成形,當氫含量低于0.1%,攪拌區(qū)組織與未置氫鈦合金相似,但有α′馬氏體形成及少量δ;氫含量為0.3%與0.5%時,組織分別主要以α′馬氏體與α″馬氏體為主。

作為一種固相連接技術,影響FSW焊接質量的主要因素是溫度場,而其主要由焊接速度、攪拌頭旋轉速度等焊接工藝參數決定,因而國內外學者對此做了大量的研究[16—19]。

李繼忠等人[16]采用不同的焊接工藝研究了TC4鈦合金FSW焊縫的微觀組織。接頭組織可以分為焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。當焊接速度為30 mm/ min,旋轉速度從150 r/min逐漸增加到200 r/min時,焊核溫度從低于β相變溫度增加到略高于β相變溫度,焊核區(qū)組織也由α相等軸超細晶轉變?yōu)棣恋容S晶和α+β雙態(tài)組織;當轉速繼續(xù)增至250 r/min,焊核區(qū)全部由α+β片層狀構成,α等軸晶消失。這表明焊核區(qū)的組織與熱輸入有直接的關系。

Zhang等人[17]對3 mm厚的Ti-6Al-4V鈦合金進行FSW試驗,當旋轉速度為400 r/min和500 r/min時,可得到無缺陷的焊縫,攪拌區(qū)全部是由片層狀的β晶粒組成,熱影響區(qū)由原始α相、初始β相和片層狀的α/β相組成;攪拌頭旋轉速度的增加會導致α相和β相晶粒的長大。

Liu等人[18]在轉速為400 r/min、焊速為25～100 mm/min時,得到了無缺陷的Ti-6Al-4V鈦合金FSW焊縫,焊接接頭由母材區(qū)、熱影響區(qū)和攪拌區(qū)組成;熱影響區(qū)組織基本和母材區(qū)一樣,由初始α相和轉變β相組成;攪拌區(qū)由雙態(tài)組織構成,且初始α相隨著焊接速度的增大而增加。母材和不同焊接速度下攪拌區(qū)的顯微組織如圖2所示。

圖2 母材和不同焊接速度下攪拌區(qū)的TEM圖[18]Fig.2 TEM images of stir zone under different welding speeds and basematerial

Yoon等人[19]的研究結果表明,當焊速為50 mm/ min且轉速為300 r/min時,Ti-6Al-4V合金FSW接頭攪拌區(qū)上部(距焊縫表面0.8 mm)的微觀組織完全由片層狀的β相組成,下部全部(距焊縫表面1.5 mm)由α等軸晶組成,中間部分(距焊縫表面0.9～1.3 mm)由α等軸晶和片層狀的α+β等軸晶組成。當焊速保持不變且轉速逐漸下降時,近焊縫表面的完全片層狀組織范圍減小;當轉速降為225 r/min時,攪拌區(qū)組織幾乎全部為α等軸晶。

2 力學性能

接頭力學性能是評價焊縫質量的指標之一,因此國內外學者對鈦合金焊接接頭的力學性能進行了大量的研究,涉及接頭的抗拉強度、延展性、顯微硬度、疲勞性能等。

Kitamura等人[20]分析了焊縫溫度峰值對Ti-6Al-4V鈦合金FSW接頭抗拉強度的影響。當攪拌區(qū)的溫度峰值低于β相轉變溫度時,接頭的抗拉強度比母材區(qū)高;當攪拌區(qū)的溫度峰值高于β相轉變溫度時,接頭的抗拉強度隨著焊接速度的增大而增大。Liu等人[21]的Ti-6Al-4V鈦合金FSW接頭的拉伸試驗結果表明,接頭的抗拉強度可達到母材的92%,斷裂位置在攪拌區(qū),呈典型的韌性斷裂。

謝飛飛等人[22]指出TC4鈦合金FSW接頭的攪拌區(qū)由于產生了細小的二次β晶粒,其硬度較高于其他區(qū)域;隨著旋轉速度的提高,二次β晶粒的尺寸不斷增大,造成攪拌區(qū)的硬度小幅度下降。而Zhou等人[23]研究結果表明,攪拌區(qū)的硬度比母材區(qū)低且隨著攪拌針旋轉速度的增大而減小;接頭斷裂位置位于硬度最小值處。

Ji等人[24]指出當旋轉速度為250 r/min,焊接速度在50～100 mm/min時,Ti-6Al-4V鈦合金FSW接頭延展性隨焊接速度的增加而減小。

從目前的文獻報導來看,對于鈦合金FSW接頭力學性能的研究主要是以拉伸性能、顯微硬度為主,對接頭抗疲勞性能研究較少。Edwards等人[25]研究了鈦合金的FSW對接接頭的疲勞特性,指出焊接接頭的疲勞壽命低于母材,但焊后適當的熱處理(溫度、保溫時間、冷卻速率)會使疲勞壽命增加。

焊接接頭的力學性能是評價焊接工藝方法優(yōu)劣進而實現工程應用不可缺少的指標,隨著相關數據的不斷積累與完善,力學性能的研究會為FSW在鈦合金結構上的應用提供足夠的支持。

3 攪拌頭的磨損

FSW是涉及熱學、力學和冶金學現象的復雜工藝過程,其實質是攪拌頭與被焊材料之間發(fā)生熱循環(huán)和機械作用并形成焊接接頭。在焊接過程中要求攪拌頭材料在焊接溫度下具有足夠的強度與韌性,以滿足使用要求[26—27]。對于鋁合金、鎂合金等低熔點材料,在焊接過程中攪拌頭承受的力較小且溫度較低,因此攪拌頭采用工具鋼等就可以滿足焊接需要,且可認為近無磨損。但是鈦合金屬于高熔點、高硬度、熱導率小的材料,焊接過程中溫度高且梯度大,容易造成攪拌頭磨損。針對鈦合金的FSW,研究工作者除常見的鎢錸合金外,還嘗試了采用純鎢、硬質合金(WC)、多晶立方氮化硼(PCBN)、鎳基合金與鈷合金等材料來制造攪拌頭并進行試驗。

Farias等人[29]采用硬質合金(WC)作為攪拌頭材料,對Ti-6Al-4V鈦合金進行了FSW連接,在攪拌頭的磨損方面得到如下結論:在攪拌頭下壓階段,當下壓速度大時攪拌針磨損嚴重;攪拌頭的磨損主要是攪拌針和軸肩與工件之間的粘結磨損;如果在焊接過程中沒有采取保護措施,攪拌針部分還會發(fā)生氧化磨損;在焊接過程中,由于溫度的升高和軸向壓力的作用,軸肩外端發(fā)生嚴重變形,呈現凹凸不平,影響焊接質量。

Wu等人[30]探索了FSW工藝參數對多晶立方氮化硼(PCBN)攪拌頭磨損的影響。在攪拌頭旋轉速度為800 r/min和1200 r/min時,攪拌頭最大磨損發(fā)生在焊接開始的攪拌頭下壓階段,原因是在焊接開始時下壓力最大;當旋轉速度為400 r/min時,攪拌頭最大磨損發(fā)生在距起始點7 mm位置處,這與焊接熱輸入有關系。

Wang等人[31]的研究結果表明,在金屬陶瓷刀具中,CY16 WC-Co攪拌頭容易產生斷裂,而WC411 WC-Co攪拌頭不會產生斷裂。

謝飛飛[32]選用鎳基高溫合金DZ22作為攪拌頭材料并研究其磨損情況,發(fā)現柱形攪拌針使用一次之后就失效,磨損特別嚴重;但是采用錐形攪拌針,攪拌頭磨損較小,可焊長度約為400 mm,說明攪拌頭形狀對磨損有重要的影響。

目前,針對鈦合金FSW的攪拌頭的磨損情況研究得還不是很多,攪拌頭的磨損機理還需要進一步的深入研究,以便于擴大FSW在鈦合金材料中的應用。

4 復合工藝

與其他熔化焊方法相同,FSW工藝本身亦存在一些問題,若僅通過自身工藝參數的優(yōu)化來解決則存在較大的困難。以鈦合金的FSW為例,在焊接過程中就存在高熱量需求、沿板厚的組織不均勻性、攪拌頭的高磨損等問題。事實上,基于常規(guī)FSW技術,輔以其他工藝措施往往會起到良好的效果,比如熱源輔助復合工藝有利于補充焊接所需要的能量,同時合理的加熱方式會降低攪拌頭的磨損。

姬書得等人[33]采用背部加熱輔助 FSW 對Ti6Al4V鈦合金進行了研究。與傳統(tǒng)的FSW相比,輔助加熱有利于軟化攪拌頭前方材料、減小溫度梯度且增大高溫區(qū)域的范圍,這樣可以減小攪拌頭的磨損,延長其壽命。

卓彬[34]指出,與常規(guī)的空冷工藝相比,合理的隨焊激冷工藝可降低TC4鈦合金FSW接頭的宏觀變形,如圖3所示。王文等人[35]的TC4鈦合金FSW的研究結果表明,在空冷條件下攪拌區(qū)為α+β片層狀組織,熱機影響區(qū)為α等軸晶和α+β片層狀雙態(tài)組織;強冷條件下攪拌區(qū)組織主要是β相轉變?yōu)棣?針狀馬氏體,α'馬氏體以多向針的形式散亂分布,這種多向分布可以提高焊接接頭的力學性能。

圖3 常規(guī)和激冷工藝下的FSW焊接變形曲面[34]Fig.3 Deformation of FSW under conventional and intense cooling conditions

針對鈦合金熱導率較低,導致在板厚方向存在顯微組織的不均勻問題,英國焊接研究所提出了靜止軸肩FSW。Davies等人[36]對6.35 mm厚的Ti-6Al-4V鈦合金進行了靜止軸肩的FSW試驗,獲得了無缺陷焊接接頭且攪拌區(qū)組織沿厚度方向上分布均勻。靜止軸肩裝置如圖4所示。

圖4 SSFSW裝置截面[36]Fig.4 A cross-sectional view of the SSFSW assembly

目前,復合焊接工藝應用比較成熟的是鋁合金的熱源輔助FSW,如激光-FSW復合焊、TIG-FSW復合焊,超聲波輔助FSW技術、電磁感應FSW技術等[37],并取得了一些成果,為鈦合金的FSW復合工藝提供了諸多可借鑒的技術。

5 結語

目前,鈦合金的FSW還存在攪拌頭高磨損、焊接過程作用力大等一些需要解決的問題,制約了該技術的應用與推廣,但其高強度、小變形、低能耗、綠色無污染等優(yōu)點的意義是眾所周知的。隨著人們在鈦合金FSW的低磨損技術、攪拌頭材料的優(yōu)選、復合工藝等方面研究的不斷深入,該技術的應用前景非常巨大。

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Recent Advances in Friction Stir W elding of Titanium Alloys

WANG Yu-xiao,YUE Yu-mei,JIShu-de,LYU Zan,WEN Quan
(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

As a solid-state joining technology,friction stir welding(FSW)possesses many advantages,e.g.low stress,small distortion and non-pollution.Titanium alloys have been widely used in the important fields such as aerospace,which can be welded by FSW.So far,FSW of titanium alloys has attracted more and more attention.Recent advances in FSW of titanium alloyswere introduced from aspects ofmicrostructure,mechanical property,toolwear,and hybrid technology.The further trends of FSW of titanium alloys were presented briefly.

titanium alloy;friction stir welding;microstructure;mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.006

TG453+.9

A

1674-6457(2015)05-0040-06

2015-08-12

國家自然科學基金(51204111);航空科學基金(2013ZE54021);遼寧省科技廳重點項目(2013222007)

王玉曉(1989—),女,河南林州人,碩士研究生,主要研究方向為攪拌摩擦焊工藝及機理。

姬書得(1977—),男,河北滄州人,博士,教授,主要研究方向為攪拌摩擦焊/加工、焊接應力與變形控制。