連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊制備鈦合金管件

席錦會(huì)， 葛鵬， 侯鵬

(西部金屬材料股份有限公司，西安 710201)

0 前言

TC4，Ti6246等鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域。目前，鈦合金復(fù)雜管件、超薄管件、超大管件及盲孔管、變徑管等采用整體制備工藝生產(chǎn)時(shí)，由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料熱加工性差，因此，存在整體加工難度大、材料利用率低、生產(chǎn)效率低、成本高等缺點(diǎn)。如采用分體制備，再采用摩擦焊接的方式制備鈦合金盲孔管可提高生產(chǎn)效率、提高成材率、降低成本。

眾所周知，常規(guī)的焊接方法，如氬弧焊、電子束焊接、等離子弧焊接等均為熔化焊，即焊接時(shí)焊合區(qū)處于熔融狀態(tài)，因此，焊合區(qū)的組織粗大、焊合區(qū)易氧化、易出現(xiàn)縮孔、夾雜等缺陷[1]，而且常規(guī)的焊接方法還受焊接件材料、厚度及焊接結(jié)構(gòu)的限制，操作麻煩，效率低[2-3]。因此選擇一種合適鈦合金的焊接方法是制備鈦合金結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵[4-5]。在眾多的焊接方法中，摩擦焊是一種固態(tài)連接方法，憑借其優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、節(jié)能的工藝特點(diǎn)在高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6-9]。

該研究先采用同材質(zhì)的Ti6246，TA2管材進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接試驗(yàn)，摸索焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭組織、性能的影響。在此基礎(chǔ)上采用摩擦焊接制備TC4鈦合金盲孔管，為批量化制備鈦合金構(gòu)件提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料準(zhǔn)備

該研究選用3種不同類型的鈦合金進(jìn)行試驗(yàn)，分別是原始組織為兩相區(qū)組織的Ti6246兩相鈦合金管材、原始組織為等軸組織的α型TA2純鈦管及原始組織為魏氏體組織的TC4鈦合金棒材和管材。Ti6246鈦合金管材是通過擠壓制備的，規(guī)格為φ72 mm×10 mm；TA2純鈦管材是在相變點(diǎn)以下擠壓制備的，規(guī)格為φ80 mm×10 mm；TC4鈦合金棒材是在β相區(qū)鍛造得到的，規(guī)格為φ120 mm；TC4管材是在β相區(qū)擠壓+β相區(qū)熱軋制備的，規(guī)格為φ80 mm×10 mm。以上材料均為R態(tài)。

1.2 管件摩擦焊接

Ti6246鈦合金管材及TA2純鈦管材分別準(zhǔn)備4段，分為2組進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上將TC4棒材和TC4管材焊接在一起。

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接的工藝參數(shù)有：摩擦壓力、頂鍛壓力、摩擦?xí)r間、縮短量。工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，根據(jù)金屬材料在不同溫度下的變形抗力和摩擦對(duì)焊的截面積，進(jìn)行摩擦焊接工藝參數(shù)的設(shè)定。Ti6246鈦合金、TA2純鈦管材及TC4鈦合金棒材和管材的摩擦焊接設(shè)定工藝參數(shù)見表1。

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接用設(shè)備，主要由主體設(shè)備、控制系統(tǒng)、操作臺(tái)3部分組成。焊接前，將要焊接的兩段管材中的一件夾持于連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)夾具，另一件夾持于移動(dòng)夾具；在控制系統(tǒng)中輸入摩擦焊接的工藝參數(shù)，啟動(dòng)摩擦焊接設(shè)備開始進(jìn)行。

1.3 管件摩擦焊接后熱處理及性能測(cè)試

對(duì)焊后Ti6246鈦合金管材進(jìn)行860 ℃×1 h，AC+580 ℃×1 h，AC熱處理，對(duì)焊接后的TA2純鈦管材進(jìn)行進(jìn)行600 ℃×1 h真空熱處理，對(duì)TC4鈦合金盲孔管材進(jìn)行800 ℃×1 h真空熱處理。然后機(jī)械加工去除飛邊，并在管件的母材及焊接接頭處分別取樣，進(jìn)行組織和性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)際焊接工藝參數(shù)分析

實(shí)際焊接工藝參數(shù)見表2。從表2可見，焊接后1號(hào)、2號(hào) Ti6246鈦合金管材實(shí)際縮短量分別為13.6 mm和14.7 mm。3號(hào)、4號(hào) TA2純鈦管材實(shí)際的縮短量分別為8.6 mm和8.9 mm。5號(hào)TC4盲孔管焊接后實(shí)際縮短量為14.6 mm。從此可見，實(shí)際總縮短量與設(shè)定總縮短量之差均≤0.5 mm，由此可見，摩擦焊后工件的尺寸精度很高。另外，對(duì)比1號(hào)、2號(hào)Ti6246鈦合金管材及3號(hào)、4號(hào)TA2純鈦管材的摩擦壓力和總的摩擦?xí)r間可見，當(dāng)摩擦壓力減少時(shí)，摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，說明當(dāng)摩擦力減少時(shí)，要使焊接結(jié)合面處的金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，必須通過延長(zhǎng)摩擦?xí)r間來實(shí)現(xiàn)。

表2 摩擦焊接實(shí)際參數(shù)

2.2 Ti6246管焊接接頭形貌及焊合區(qū)組織和性能

圖1為Ti6246鈦合金管材焊接接頭形貌。金屬飛邊主要在穩(wěn)定摩擦階段擠出形成，焊接擠出的飛邊朝焊合區(qū)兩側(cè)卷曲。從照片中可見，Ti6246鈦合金管材焊合區(qū)飛邊完整、飽滿、圓滑，1號(hào)與2號(hào)的飛邊形貌差異不大。由于Ti6246鈦合金管材的變形抗力大，因此焊接時(shí)設(shè)定的摩擦壓力和頂鍛壓力大，摩擦?xí)r間長(zhǎng)，形成的飛邊飽滿、圓滑。

1號(hào)和2號(hào)管材焊接接頭微觀組織分別如圖2、圖3所示。從圖2可見1號(hào)管材焊接接頭的焊合區(qū)寬度約為700～800 μm，熱力影響區(qū)的組織與基體組織類型相似，不同之處在于：熱力影響區(qū)由于在摩擦中受到周向摩擦力的作用而使晶粒取向發(fā)生變化，但焊合區(qū)的組織中可見較粗大的β晶粒。圖3中2號(hào)管材焊接接頭的焊合區(qū)寬度約為600～700 μm，焊合區(qū)的組織中隱約可見β晶界。從焊合區(qū)組織可見，Ti6246鈦合金摩擦焊接時(shí)，由于摩擦壓力、頂鍛壓力偏大、摩擦?xí)r間偏長(zhǎng)，導(dǎo)致焊結(jié)接頭處溫度偏度，且高于相變點(diǎn)，尤其是1號(hào)管材的焊結(jié)接頭處溫度更高，焊合區(qū)寬度比2號(hào)更寬，焊合區(qū)β晶界更明顯。

圖1 Ti6246鈦合金管材摩擦焊接接頭形貌

圖2 1號(hào)管材焊接接頭微觀組織

圖3 2號(hào)管材焊接接頭微觀組織

表3是Ti6246鈦合金管材焊接接頭性能。可看出，焊接接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng)甚至略高于母材，但是塑性和沖擊韌性低于母材。比較1號(hào)與2號(hào)焊接接頭的性能，1號(hào)與2號(hào)焊接接頭的強(qiáng)度相當(dāng)，但1號(hào)焊接接頭的塑性和沖擊韌性比2號(hào)要略差，這正好可由基體、1號(hào)與2號(hào)焊合區(qū)組織進(jìn)行解釋。

表3 Ti6246鈦合金管材焊接接頭性能

2.3 TA2管焊接接頭形貌及焊合區(qū)組織和性能

TA2純鈦管材焊接后接頭宏觀形貌如圖4所示。純鈦的變形抗力比Ti6246鈦合金小，因此焊接時(shí)設(shè)定的摩擦壓力和頂鍛壓力小，摩擦?xí)r間短，焊接后形成的飛邊也比較薄，且飛邊表面粗糙，擠出的金屬不足以在焊合區(qū)一周均勻分布。圖4a和圖4b中由于摩擦焊接參數(shù)不同，摩擦焊接頭宏觀形貌也略有所不同。3號(hào)與4號(hào)管材焊接的摩擦壓力壓力稍大，因此，頂鍛后擠出的飛邊稍厚一些。

3號(hào)TA2純鈦管摩擦焊接接頭微觀組織如圖5所示。從焊合區(qū)組織可見，摩擦焊后TA2管材的微觀焊合區(qū)很窄，只有約500 μm。另外，比較焊合區(qū)組織與母材組織可以發(fā)現(xiàn)焊合區(qū)組織不是粗大的魏氏體組織，而是與母材一樣的等軸組織，且晶粒比母材還細(xì)。這是因?yàn)樵谀Σ梁傅恼麄€(gè)過程中，焊接表面在固相狀態(tài)下，始終受軸向力的鐓鍛作用，具有進(jìn)行一步細(xì)化晶粒的作用。另外，由于利用焊接表面的相互摩擦作為熱源，整個(gè)表面同時(shí)被加熱，焊接時(shí)間極短，熱影響區(qū)小，晶粒來不及長(zhǎng)大。工件在焊接壓力作用下界面處于封閉狀態(tài)，外界氣體無法進(jìn)入界面區(qū)，同時(shí)焊接界面上的熱塑性金屬及金屬氧化物被擠出，所以即使摩擦焊接時(shí)沒有氬氣保護(hù)，最終焊合區(qū)處也不會(huì)氧化，可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。

圖4 TA2管材焊接接頭形貌

圖5 3號(hào)TA2管材焊接接頭微觀組織及原始組織

表4為 TA2純鈦管摩擦焊后焊接接頭力學(xué)性能，從表中數(shù)據(jù)可見，兩種焊接工藝條件得到的焊接接頭的室溫強(qiáng)度與純鈦管材母材的強(qiáng)度幾乎完全相同，塑性及韌性相比母材略有下降。拉伸試樣均斷于母材位置。雖然TA2管材在焊接過程中未進(jìn)行氬氣保護(hù)，但其性能仍能與母材保持同一水平，甚至略高。說明連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接TA2鈦管，焊縫的質(zhì)量非常高，焊接系數(shù)可到0.99以上。

表4 TA2純鈦管摩擦焊后焊接接頭力學(xué)性能

2.4 TC4鈦合金盲孔管

TC4鈦合金盲孔管材焊接后接頭形貌如圖6所示。由于構(gòu)成盲孔管的兩部分外徑不同，因此，摩擦焊接后形成的飛邊不對(duì)稱，外徑大的一端飛邊呈隆起的環(huán)形，厚而窄，但與Ti6246鈦合金管材的飛邊相比，要薄。外徑小的一端，飛邊薄而寬，平鋪于管材表面。

圖6 TC4鈦合金盲孔管摩擦焊接接頭形貌

圖7a和圖7b分別是TC4盲孔管分體1棒材和分體2管材的原始微觀組織。從圖7可見，棒材和管材母體均為魏氏體組織，組織中可見β晶界和晶內(nèi)粗大的α片。圖8是TC4盲孔管焊接接頭的微觀組織。從圖8 TC4盲孔管焊接接頭的微觀組織可見，摩擦焊后TC4盲孔管的微觀焊縫及熱影響區(qū)寬度約800～850 μm。熱影響區(qū)及焊合區(qū)處的組織為近似的網(wǎng)籃組織，焊合區(qū)組織中的α片比熱影響區(qū)更細(xì)小。這是因?yàn)樵谀Σ梁附訒r(shí)受到周向的摩擦力和軸向的頂鍛力，原始的魏氏體組織中的β晶界及晶內(nèi)的粗α片得到有效破碎，并在高溫下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而得到了較細(xì)小的α片。

圖7 TC4棒材及管材微觀組織

圖8 TC4鈦合金盲孔管摩擦焊接接頭微觀組織

焊接接頭力學(xué)性能見表5，從表中數(shù)據(jù)可見，TC4棒材及管材焊接后，接頭的抗拉強(qiáng)度比母材低約60 MPa，但塑性和沖擊韌性卻優(yōu)于母材。這可由焊合區(qū)組織得到解釋。

表5 TC4鈦合金管件摩擦焊接后焊縫力學(xué)性能

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)Ti6246鈦合金管及TA2純鈦管摩擦焊后的形貌及性能、組織的分析發(fā)現(xiàn)，在該研究試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的性能影響很小。

(2)Ti6246及TA2管材的摩擦焊接系數(shù)可達(dá)0.99。

(3)在該研究試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，摩擦焊接可以破碎焊合區(qū)組織，使焊合區(qū)組織明顯比母材細(xì)小。

(4)采用摩擦焊接的方法制備了TC4鈦合金盲孔管材，摩擦焊接后TC4盲孔管焊合區(qū)的組織類型發(fā)生改變，從魏氏體組織變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，抗拉強(qiáng)度降低60 MPa，但焊接系數(shù)仍可達(dá)0.94，塑性和韌性優(yōu)于母材。

(5)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)管材的制備，也可實(shí)現(xiàn)盲孔管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)管件的制備，能夠提高生產(chǎn)效率和成材率，降低成本。