齒根角度對(duì)鈦/鋼攪拌摩擦焊嚙合接頭成形的影響

余貴峰

（中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 100000）

1 概述

1.1 選題的依據(jù)及意義

鈦合金密度低、強(qiáng)度高，耐高溫且抗腐蝕性好；鋼同樣屬于輕質(zhì)高強(qiáng)材料，且塑性韌性好，鈦/鋼異種金屬的有效連接在發(fā)揮材料各自?xún)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，極大地提高了材料的利用價(jià)值。在航天航空領(lǐng)域異種金屬導(dǎo)管結(jié)構(gòu)廣泛采用了鈦合金與不銹鋼，目前連接方式采用機(jī)械連接加密封膠脂的組合方法，密封度低、接頭性能不良，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)部易侵入密封物質(zhì)。針對(duì)鈦/鋼異種金屬的連接專(zhuān)家學(xué)者探索了如擴(kuò)散焊、激光焊、電子束焊等各種先進(jìn)焊接方法，未能解決接頭界面處金屬間化合物的產(chǎn)生，且設(shè)備、工藝等因素影響焊接接頭尺寸及性能，制約了鈦/鋼復(fù)合構(gòu)件的廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代發(fā)明的攪拌摩擦焊克服了異種材料的物理性能差異，保持在塑性狀態(tài)不被熔化。但傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊過(guò)程中，對(duì)接接頭材料混合程度較差，接頭力學(xué)性能不佳。

本研究探索一種新的攪拌摩擦焊方法，即對(duì)接接頭設(shè)計(jì)成鋸齒狀嚙合對(duì)接，以增加材料的混合互鎖程度，提高接頭的強(qiáng)度。鋸齒的參數(shù)對(duì)接頭的強(qiáng)度也有著重要的影響，研究齒根角度對(duì)嚙合對(duì)接接頭力學(xué)性能的影響，為異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊的應(yīng)用奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)FSW）是由Thomas 等基于摩擦焊原理發(fā)明的一種新式焊接技術(shù)[1-2]。不同于傳統(tǒng)的焊接方法，F(xiàn)SW 屬于固相焊接技術(shù)，焊前無(wú)需復(fù)雜的焊前處理，焊接過(guò)程中不發(fā)生材料的熔化，也不需要填充材料、保護(hù)氣體，具有焊接變形小、能源消耗低、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)常見(jiàn)的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。因此，作為一種理想的綠色連接技術(shù)，F(xiàn)SW 成為焊接史上自開(kāi)發(fā)到實(shí)際應(yīng)用時(shí)間最短、發(fā)展最快的一種連接技術(shù)，受到世界各國(guó)焊接界的重視[3-4]。

Liao 等[5]在水冷和氬氣保護(hù)氣氛下對(duì)工業(yè)純鈦和結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了攪拌摩擦搭接焊接，界面處α 鈦和鋼以漩渦形態(tài)混合，混合區(qū)還伴有微小的Fe-Ti 金屬間化合物顆粒與片層狀β 鈦生成，在微觀混合區(qū)附近，鈦和鋼的晶粒尺寸細(xì)化，接頭的拉伸剪切強(qiáng)度較高。

Gao 等[6]通過(guò)控制攪拌針長(zhǎng)度對(duì)鈦/鋼搭接接頭的攪拌摩擦焊接連接界面進(jìn)行觀察，攪拌針長(zhǎng)度為0.9 mm 和1.0 mm 時(shí)，接頭成形良好。當(dāng)攪拌針長(zhǎng)度為0.9 mm 時(shí)，界面清晰，只生成了50～100 nm 厚的中間層，中間層成分為β-Ti＋FeTi 金屬間化合物；當(dāng)攪拌針長(zhǎng)度為1.0 mm 時(shí)，界面發(fā)生混合，呈層片狀結(jié)構(gòu)，包含100 nm 厚的FeTi 或FeTi＋Fe2Ti 金屬間化合物層和1 μm 厚的β-Ti 層。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，兩者都斷裂在CP-Ti 母材處，但是，后者焊縫硬度要顯著大于前者以及母材，而前者焊縫硬度較低，與鋼的硬度幾乎持平。

鈦/鋼異種金屬攪拌摩擦焊研究多為CP-Ti，在工程上應(yīng)用意義不大，所得到的接頭的強(qiáng)度也不高，不能滿足工程應(yīng)用的需求。Chen 等[7]認(rèn)為鋸齒狀金屬間化合物對(duì)裂紋起釘扎左右，不利于裂紋的擴(kuò)展，可提高接頭的強(qiáng)度。同時(shí)，接頭成鋸齒狀嚙合對(duì)接，前進(jìn)邊和返回邊交替互換，有助于異種材料的混合，機(jī)械互鎖程度增加，從而提高接頭強(qiáng)度。受此啟發(fā)，對(duì)鈦/鋼異種金屬攪拌摩擦焊嚙合對(duì)接的接頭進(jìn)行研究。

1.3 研究?jī)?nèi)容

本研究選用Ti3Al4V 鈦合金和AISI 4340 鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，將兩種材料邊緣切成鋸齒狀，然后進(jìn)行嚙合對(duì)接，研究不同齒根角度（0°、30°、60°、75°）對(duì)焊縫宏觀成形及顯微結(jié)構(gòu)的影響。

2 試驗(yàn)條件和方法

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用Ti3Al4V 鈦合金和AISI 4340 鋼。鈦合金試板尺寸為175 mm×42 mm×2 mm，鋼試板尺寸為175 mm×56 mm×2 mm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2。攪拌摩擦焊接示意圖如圖1 所示。

表1 Ti6Al4V 主要化學(xué)成分（wt/%）

表2 AISI 4340 主要化學(xué)成分（wt/%）

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用由X53K 立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機(jī)，其具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 焊前材料處理

為保證焊縫成形質(zhì)量，焊前處理是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，具體分如下步驟：

（1）鋸齒切割

將兩塊板邊緣搭接在一起，進(jìn)行電火花線切割，以確保焊后鋸齒能緊密?chē)Ш稀?/p>

（2）機(jī)械清理

用砂紙仔細(xì)打磨鈦合金與鋼對(duì)接區(qū)域，去除表明氧化膜。

（3）物理清理

用無(wú)水乙醇去除鈦合金、鋼兩側(cè)的手印、灰塵等，再將試樣放在盛滿丙酮的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗，去除表面油污，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干備用。

2.2.2 攪拌頭設(shè)計(jì)

在本研究的試驗(yàn)中，攪拌頭采用的是鎢錸合金。攪拌頭軸肩直徑為Φ14 mm，攪拌針為無(wú)螺紋錐形攪拌針，其形狀及尺寸如圖2 所示。

圖2 攪拌頭形狀及尺寸（mm）

2.2.3 焊接試驗(yàn)方法

本研究采用的焊接形式為嚙合對(duì)接，鋼置于前進(jìn)側(cè)，鈦合金置于返回側(cè)，如圖1 所示。參考前人的研究結(jié)果可知，焊接鈦/鋼異種金屬時(shí)，接頭中產(chǎn)生的金屬間化合物會(huì)顯著降低接頭的承載能力。在焊接熱輸入較大的情況下，接頭中脆性金屬間化合物的數(shù)量和厚度都會(huì)顯著增加。因此本研究中對(duì)焊接鈦/鋼異種金屬的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。選擇焊接速度為60 mm/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速為750 rpm。研究的工藝變量為齒根角度，分別為0°（即對(duì)接）、30°、60°、75°。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 焊縫宏觀形貌

攪拌頭轉(zhuǎn)速為750 rpm，焊接速度為60 mm/min，由圖3 可看出：當(dāng)齒根角度為0°（圖3a）時(shí)，攪拌針偏向鋼側(cè)，焊接過(guò)程的攪拌摩擦產(chǎn)熱促使攪拌頭周?chē)牟牧袭a(chǎn)生塑性變形，變形材料在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)作用下形成表面平整光滑的焊縫，且魚(yú)鱗狀環(huán)紋相對(duì)較為清晰光滑，相對(duì)齒根角度60°（圖3c）、75°（圖3d），具有更小的環(huán)距。齒根角度60°和75°焊縫表面凹凸不平，非常粗糙，尤其是當(dāng)齒根角度為30°（圖3b）時(shí)，表面出現(xiàn)許多微小的孔洞與毛刺，且魚(yú)鱗狀環(huán)紋的間距及弧線大小極不均勻，分析認(rèn)為由于嚙合接頭的特點(diǎn)，鈦和鋼側(cè)的鋸齒互相插入對(duì)方的母材當(dāng)中，當(dāng)鈦側(cè)鋸齒與軸肩接觸面積較大時(shí)，軸肩與材料的摩擦力變大，熱輸入也跟著變大，表面材料的流動(dòng)性變強(qiáng)，環(huán)紋以及環(huán)紋間距會(huì)變細(xì)變??；反之，當(dāng)鋼側(cè)鋸齒與軸肩接觸面積較大時(shí)，熱輸入相對(duì)變小，環(huán)紋以及環(huán)紋間距則變粗變大，從而形成手感極不均勻的焊縫表面。此外，還可能由于攪拌針在鈦側(cè)的過(guò)量攪拌摩擦行為使焊接過(guò)程中產(chǎn)熱過(guò)多，導(dǎo)致變形材料黏度降低，無(wú)法形成連續(xù)的塑性流動(dòng)層，攪拌頭行進(jìn)的空腔得不到有效填充，造成焊縫表面毛刺、飛邊、孔洞等缺陷的產(chǎn)生。隨著齒根角度的增加，焊縫表面成形質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)，表面粗糙度降低，毛刺與表面微孔減少，但是飛邊量增加。分析認(rèn)為可能是由于齒根角度變大，鋸齒分布更為密集，接頭微區(qū)材料預(yù)置更加均勻，使得焊接過(guò)程中熱量的產(chǎn)生較為均勻，從而使得焊縫表面粗糙度降低，飛邊的產(chǎn)生則可能是由于焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速匹配不當(dāng)引起的。

圖3 焊縫表面成形

3.2 焊縫橫截面形貌及顯微結(jié)構(gòu)分析

攪拌頭轉(zhuǎn)速為750 rpm，焊接速度為60 mm/min，整個(gè)試驗(yàn)在氬氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行。當(dāng)鈦鋼進(jìn)行對(duì)接時(shí)，表面出現(xiàn)灰色的變色部分，表明由于熱輸入較大，接頭發(fā)生高度氧化或氮化。圖4 為齒根角度0°下接頭橫截面微觀形貌。整個(gè)攪拌區(qū)中，自上而下鈦鋼混合極不均勻，在上表層附近約0.5 mm 厚的區(qū)域，如圖5 所示，鈦鋼混合極為均勻，且生成了大量金屬間化合物。分析認(rèn)為，對(duì)接界面上部距離攪拌頭軸肩部分較近，攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得對(duì)接界面兩側(cè)異種材料發(fā)生機(jī)械混合和相互遷移，且由于熱輸入較大，鈦/鋼原子相互擴(kuò)散，甚至發(fā)生冶金結(jié)合。在攪拌區(qū)中部及底部區(qū)域，材料雖發(fā)生塑性流動(dòng)，但在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)均有許多大塊金屬殘留，殘料未發(fā)生有效混合，只是在攪拌作用下，一些細(xì)小的金屬顆粒剝落，并混合到對(duì)方金屬中。在圖4中的C 區(qū)域，其放大后的顯微結(jié)構(gòu)如圖5（C）所示，也是焊核的所在位置，表層金屬被帶到鈦側(cè)時(shí)，受軸肩的擠壓作用，流入鈦/鋼界面及鈦合金內(nèi)部，并在微觀上以機(jī)械互鎖的形式結(jié)合。對(duì)圖4 中的B 區(qū)域進(jìn)行放大，如圖5（B）所示，鈦側(cè)連接界面顯然是以冶金的方式結(jié)合，界面處生成了金屬間化合物。

圖4 齒根角度0°下接頭橫截面微觀形貌

圖5 0°下接頭橫截面微觀形貌中各區(qū)的顯微組織

從圖6 中可看出，當(dāng)鋼與鈦合金進(jìn)行嚙合對(duì)接，齒根角度為30°時(shí)，可能由于下壓量過(guò)大，表面金屬大量流失，形成飛邊。前進(jìn)邊和后退邊均沒(méi)有大塊金屬殘留，攪拌區(qū)金屬混合較為均勻，焊核區(qū)域較大，并出現(xiàn)許多孔洞和橫向裂紋，如圖7（A）(B)所示。分析認(rèn)為，當(dāng)齒根角度為30°時(shí),鋸齒相對(duì)較為粗大,整個(gè)焊接過(guò)程中,過(guò)量的鈦側(cè)攪拌使焊縫產(chǎn)熱較多,焊核區(qū)無(wú)法形成較為連續(xù)的熱塑性流動(dòng)層,導(dǎo)致焊核區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較多分散型孔洞。橫向裂紋則從軸肩熱影響區(qū)底部開(kāi)始延伸至焊縫底部，幾乎貫穿整個(gè)焊縫，至于其形成原因目前尚不清楚。對(duì)圖6 中的B 區(qū)域進(jìn)行顯微觀察，如圖7（C）所示，鈦/鋼連接界面處并未生成大量金屬間化合物，而是形成了40 μm 左右的擴(kuò)散層，實(shí)現(xiàn)了有效的擴(kuò)散連接。分析認(rèn)為，界面位于兩側(cè)的異種材料只受到攪拌針的攪拌作用和加工區(qū)塑變潛熱的影響，而不受軸肩摩擦熱的作用，使得Ti/Fe 原子相互混合、擴(kuò)散和固溶，但并不發(fā)生冶金反應(yīng)。

圖6 齒根角度30°下接頭橫截面微觀形貌

圖7 30°下接頭橫截面微觀形貌中各區(qū)的顯微組織

從圖8 中可看出，當(dāng)齒根角度為60°時(shí)，焊核區(qū)域增大，材料混合更為均勻，對(duì)圖8 中的D 區(qū)域進(jìn)行放大，其顯微結(jié)構(gòu)如圖9（D）所示，形成一層一層條帶狀的組織，中間還夾雜著許多金屬顆粒，且由于熱輸入較大，攪拌區(qū)還生成了許多金屬間化合物。從圖中還可以明顯觀察到大塊金屬并未發(fā)生很大的塑性變形，而是殘留在焊核中，分析認(rèn)為可能是由于鋸齒在攪拌過(guò)程中還未發(fā)生塑性變形，就被切削掉落在焊縫中。殘留的大塊金屬同時(shí)還阻礙了其他金屬的塑性流動(dòng)，金屬難以繞過(guò)塊狀金屬而完全填充其后部分的空間，從而在其后方或下方形成孔洞，如圖9（B）所示，塑性金屬?gòu)淖笥覂蓚€(gè)方向流動(dòng)匯聚到大塊金屬顆粒的后方，并形成孔洞。但是整個(gè)焊縫中只有這一個(gè)孔洞，并沒(méi)有出現(xiàn)諸如齒根角度為30°時(shí)的分散型孔洞，且裂紋消失。此外，焊縫中還形成了許多如圖9（A）所示的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。如圖9（C）所示，對(duì)鈦/鋼界面進(jìn)行觀察，界面處為冶金結(jié)合。

圖8 齒根角度60°下接頭橫截面微觀形貌

圖9 60°下接頭橫截面微觀形貌中各區(qū)的顯微組織

從圖10 中可看出，當(dāng)齒根角度為75°時(shí)，材料混合極為均勻，如圖11（A）所示，焊縫金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，從上而下組織極為均勻，沒(méi)有塊狀金屬殘留，孔洞和裂紋消失。分析認(rèn)為，當(dāng)齒根角度為75°時(shí)，鋸齒嚙合較為密集，預(yù)置均勻度較大，且鋸齒較細(xì)，不會(huì)出現(xiàn)某種金屬與軸肩過(guò)量摩擦的情況，所以在焊接過(guò)程中的溫度變化較為均勻。對(duì)鋼側(cè)連接界面與鈦側(cè)連接界面進(jìn)行觀察，分別如圖11（B）、（C）所示。在鋼側(cè)界面，界面處發(fā)生冶金結(jié)合；而在鈦側(cè)界面，界面產(chǎn)生了150 μm 厚的形變層，且界面疑似為擴(kuò)散結(jié)合。

圖10 齒根角度75°下接頭橫截面微觀形貌

圖11 75°下接頭橫截面微觀形貌中各區(qū)的顯微組織

4 結(jié)論

本文主要研究了鈦/鋼鋸齒狀嚙合對(duì)接攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)中，齒根角度對(duì)焊縫成形及顯微結(jié)構(gòu)的影響，并與普通對(duì)接進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

（1）與普通對(duì)接相比，鋸齒狀嚙合對(duì)接所得到的焊縫表觀形貌較差，表面極為粗糙，且出現(xiàn)許多毛刺、飛邊等缺陷。

（2）普通對(duì)接時(shí)，焊核較小，除表層軸肩影響區(qū)材料混合較好外，焊縫內(nèi)部材料混合很差，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)均有大塊金屬殘留。隨著齒根角度的增加，材料混合的均勻程度越好。

（3）當(dāng)齒根角度為30°時(shí)，焊縫中出現(xiàn)裂紋和分散型孔洞；當(dāng)齒根角度為60°時(shí)，裂紋消失，孔洞減少；當(dāng)齒根角度為75°時(shí)，焊縫中未發(fā)現(xiàn)裂紋和孔洞，得到了成形良好的接頭。

（4）鈦、鋼界面的結(jié)合方式為冶金結(jié)合，靠近界面下部則出現(xiàn)了擴(kuò)散結(jié)合。隨著齒根角度的增加，機(jī)械互鎖程度增加。