焊接速度對鈦/鋼攪拌摩擦焊接頭宏觀及界面形貌的影響

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

鋼鐵材料是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的金屬材料，具有一系列優(yōu)良的性能，如力學(xué)性能、焊接性、冷熱加工性等，且價格相對便宜。鈦及鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和無磁性等優(yōu)異性能，在航空船舶、石油化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但其價格較高。鋼/鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)可以最大限度地發(fā)揮兩種材料的潛力，在航空航天、石油化工等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，符合工業(yè)中“減輕重量、節(jié)約能源、增加有效載荷”的要求。

由于復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和其應(yīng)用前景，鈦/鋼異種金屬的連接已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域中的熱點問題，但兩種材料的熱物理性能和晶體結(jié)構(gòu)存在較大差異，鐵在鈦中的溶解度極低，熔化焊接頭中幾乎全部由硬脆的Fe-Ti系金屬間化合物組成。國內(nèi)外學(xué)者從抑制接頭脆性相產(chǎn)生的角度出發(fā)，采用高能束焊技術(shù)[1—6]、擴(kuò)散焊技術(shù)[7]、摩擦焊技術(shù)[8—11]和攪拌摩擦焊技術(shù)[12—15]等手段實現(xiàn)了鋼/鈦異種金屬的焊接。Wang Ting等[3]采用粉末冶金方法制備了 V-CuV合金復(fù)合填充物作為中間層，實現(xiàn)了TC4鈦合金和304不銹鋼的電子束焊接；M. BALASUBRAMANIAN等[7]以銀作為中間層，實現(xiàn)了TC4鈦合金與304不銹鋼的擴(kuò)散連接，接頭最大剪切強(qiáng)度為158 MPa；K. Ishida等[15]得到了1 mm厚工業(yè)純鈦和3 mm厚304不銹鋼攪拌摩擦焊搭接接頭，接頭斷裂于鈦側(cè)母材。攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術(shù)成功實現(xiàn)了鈦/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的搭接焊，但國內(nèi)外對鈦/鋼對接接頭攪拌摩擦焊鮮有報道。

基于以上背景，文中開展了2 mm厚鈦/鋼異種金屬攪拌摩擦對接焊試驗，通過工藝試驗，揭示工藝參數(shù)對接頭成形的影響，在此基礎(chǔ)上對攪拌摩擦焊接頭的界面特征進(jìn)行分析，探索接頭的連接特征，為攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用在鈦/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)件的連接提供一定的參考依據(jù)。

1 實驗

實驗材料為 2 mm 厚的 TC4鈦合金和30CrMnSiNi2A調(diào)質(zhì)鋼，TC4為軋制退火態(tài)，化學(xué)成分見表1，30CrMnSiNi2A為退火態(tài)，室溫組織為粒狀珠光體，化學(xué)成分見表2。焊前，用砂紙將對接面磨光，保證對接面齊平。之后用丙酮超聲波清洗，去除表面油污。由于所焊材料的強(qiáng)度較高，因此攪拌頭材料選用鎢錸合金，攪拌頭形貌見圖1，實驗設(shè)備采用X53K立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機(jī)，實驗參數(shù)范圍見表3。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of TC4 titanium alloy(mass fraction)%

表2 30CrMnSiNi2A調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical compositions of 30CrMnSiNi2A hardened and tempered steel (mass fraction)%

圖1 攪拌頭形狀尺寸Fig.1 Illustration of tool geometry

表3 實驗所選參數(shù)范圍Tab.3 Parameter range selected for test

焊接示意圖見圖2，攪拌頭軸線置中無偏移量，將TC4置于前進(jìn)邊，30CrMnSiNi2A置于返回邊，焊接過程中，對試板的表面進(jìn)行氬氣吹氣保護(hù)。焊接完成后，采用體式測量儀對焊縫表面形貌進(jìn)行觀察，之后使用線切割沿焊縫中心截取金相試樣，磨拋腐蝕后采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察界面特征，腐蝕劑選用體積分?jǐn)?shù)為2%的硝酸酒精，采用EDS測定界面微觀區(qū)域的化學(xué)成分。

圖2 焊接示意圖Fig.2 Illustration of welding

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接速度對焊縫成形的影響

旋轉(zhuǎn)速度為750 r/min時，不同焊接速度焊縫表面成形見圖3。焊接速度為23.5 mm/min時，焊縫表面較為粗糙，焊接后變色程度較大，兩側(cè)飛邊量較多。隨著焊接速度加快，焊縫表面粗糙度變小，成形開始變好，受氧化的程度變小，兩側(cè)飛邊減小，焊接速度為60 mm/min時成形最好，焊接速度繼續(xù)增大至75 mm/min，前進(jìn)邊飛邊增多，返回邊出現(xiàn)少量毛刺。

圖3 不同焊接速度下焊縫表面成形Fig.3 Surface forming of joints at different travel speeds

旋轉(zhuǎn)速度為750 r/min時，不同焊接速度焊縫橫截面形貌見圖4。焊接速度為23.5 mm/min時，焊縫中心主要為被攪拌針攪碎的大小不一的以“洋蔥環(huán)”狀分布的鈦合金顆粒，鈦碎塊之間的間隙由鋼填充；焊接速度為47.5和60 mm/min時，攪拌區(qū)的鈦未被大量攪開，但仍以“洋蔥環(huán)”狀分布；焊接速度為 75 mm/min時，焊縫中心轉(zhuǎn)變?yōu)椤癦”狀機(jī)械嵌合。隨著焊接速度由小增大，攪拌頭的攪拌作用逐漸減小，實驗條件下，較慢焊接速度(23.5 mm/min)下大量的鈦金屬被攪碎混入鋼中，以“洋蔥環(huán)”形分布，與常規(guī)的鋁合金攪拌摩擦焊相比，這種“洋蔥環(huán)”中的破碎顆粒尺寸依然很大，說明無偏移量下試驗所采用的攪拌頭對鈦合金的破碎能力較差，在較快的焊接速度下(75 mm/min)，鈦和鋼的塑化程度較低，兩者的混合程度很低，宏觀上接頭表現(xiàn)為潛在的機(jī)械嵌合。

與其他參數(shù)不同，旋轉(zhuǎn)速度為750 r/min、焊接速度為23.5 mm/min時，攪拌區(qū)的鈦合金顆粒出現(xiàn)了約0.9 mm的橫向裂紋，攪拌區(qū)裂紋由鈦顆粒的表層向心部延伸，如圖 5a所示。返回邊也出現(xiàn)了貫穿表層鈦金屬的橫向裂紋，如圖5b所示。分析認(rèn)為，由于鋼的線膨脹系數(shù)是鈦的1.4倍，而熱導(dǎo)率更是鈦的4.8倍，焊縫冷卻過程中，鈦合金因熱導(dǎo)率較低，高溫停留時間長于鋼，同時，鈦的線膨脹系數(shù)小于鋼，相同的冷卻時間，鈦的收縮量嚴(yán)重低于鋼，熱應(yīng)力易集中于鈦側(cè)。該參數(shù)下，焊接時焊縫熱輸入很高，焊接時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，冷卻過程中，由于夾具的剛性約束，裂紋產(chǎn)生。

圖4 不同焊接速度下焊縫橫截面形貌Fig.4 Cross section macrostructures of joints at different travel speeds

2.2 焊接參數(shù)對界面特征的影響

焊接速度為75 mm/min時，焊核中部區(qū)域界面結(jié)構(gòu)及EDS點掃描位置示意見圖6。界面附近點掃描結(jié)果顯示見表 3，區(qū)域1主要為Fe元素，含有極少量的Ti元素，表明界面處富Fe側(cè)鈦元素擴(kuò)散較少；區(qū)域4主要為Ti元素，固溶了體積分?jǐn)?shù)約為18%的Fe元素，與區(qū)域 1相比，F(xiàn)e元素擴(kuò)散至富鈦側(cè)的能力要強(qiáng)于 Ti元素擴(kuò)散至富鐵側(cè)；區(qū)域 2生成了 Fe-Ti系固溶體，區(qū)域3生成了Fe2Ti金屬間化合物，表明界面處產(chǎn)生了約1 μm寬的金屬間化合物層。可知，該參數(shù)下界面處鈦和鋼微觀上未出現(xiàn)劇烈的混合作用，鈦和鋼發(fā)生了冶金反應(yīng)，界面處生成了寬度為1 μm的擴(kuò)散層，擴(kuò)散層由 Fe-Ti系金屬間化合物和固溶體組成。

圖5 旋轉(zhuǎn)速度為750 r/min、焊接速度為23.5 mm/min時的焊縫裂紋形貌Fig.5 Cracks of joint produced at 750 r/min and 23.5 mm/min of rotation speed and travel speed

圖6 焊接速度75 mm/min攪拌區(qū)中部區(qū)域界面結(jié)構(gòu)Fig.6 Center interfacial microstructure at stir zone of the joint produced at 75 mm/min

表4 EDS點掃描測試結(jié)果Tab.4 Result of EDS spot sweep test %

圖7 焊接速度為60 mm/min攪拌區(qū)中部區(qū)域界面結(jié)構(gòu)Fig.7 Center interfacial microstructure at stir zone of the joint produced at 60 mm/min of travel speed

焊接速度為60 mm/min時，攪拌區(qū)界面特征示意圖見圖7。一般地，隨焊接速度的降低，由于焊接熱輸入升高，焊縫中的金屬間化合物呈增長趨勢。由圖7可知，該參數(shù)下界面處的灰白層寬度在5 μm左右，界面處鈦和鋼的冶金反應(yīng)程度明顯高于焊接速度較快(75 mm/min)的接頭。由表5可知，區(qū)域5為Fe2Ti，區(qū)域6為FeTi，表明鈦側(cè)金屬不止在界面處產(chǎn)生了金屬間化合物層，圖7a可以看出，以鈦元素為主的洋蔥環(huán)內(nèi)部存在大量的不同于鈦基體顏色的大小顆粒，以渦流形式分布其中，分析認(rèn)為這可能由于焊接時攪拌針劇烈的攪拌作用使鋼被攪入鈦中，鋼隨熱力作用分布于洋蔥環(huán)各個區(qū)域的過程中又與區(qū)域內(nèi)接觸的鈦合金反應(yīng)形成了固溶體或金屬間化合物。

焊接速度為47.5 mm/min時，橫截面中部區(qū)域界面特征及元素線分布見圖8。由元素線掃描結(jié)果可知，界面處的灰白區(qū)域產(chǎn)生了明顯的元素擴(kuò)散，元素點掃描結(jié)果顯示見表6，界面處生成了Fe2Ti金屬間化合物，結(jié)合圖8線掃描結(jié)果可以確定界面處擴(kuò)散產(chǎn)物主要為 Fe2Ti金屬間化合物，圖 8b中金屬間化合物層的厚度不一，最薄處厚度約為 2 μm，最厚處厚度約為 60 μm。

表5 EDS點掃描測試結(jié)果Tab.5 Result of EDS spot sweep test %

圖8 焊接速度為47.5 mm/min攪拌區(qū)中部區(qū)域界面結(jié)構(gòu)Fig.8 Center interfacial microstructure at stir zone of the joint produced at 47.5 mm/min of travel speed

表6 EDS點掃描測試結(jié)果Tab.6 Result of EDS spot sweep test %

3 結(jié)論

1)隨著焊接速度的增加，鈦/鋼攪拌摩擦焊焊縫表面成形由粗糙變得光滑，焊接速度為 23.5～60 mm/min時，焊縫中心形成了以鈦為主的“洋蔥環(huán)”，焊接速度為75 mm/min時，界面以“Z”形嵌合。

2)“洋蔥環(huán)”內(nèi)部渦流分布著條帶狀及顆粒狀的Fe-Ti反應(yīng)物，為金屬間化合物或固溶體。

3)隨焊接速度的降低，界面處的鈦/鋼冶金反應(yīng)程度增強(qiáng)。焊接速度為75 mm/min時，界面處反應(yīng)層厚度約1 μm，焊接速度為60 mm/min時，界面處反應(yīng)層厚度約5 μm，焊接速度為47.5 mm/min時，界面處反應(yīng)層厚度約5～60 μm。