（材料加工工程专业论文）ti6al4v搅拌摩擦焊接接头微观组织及力学性能研究.pdf

坠垒堡三些垒兰二兰鎏；：兰竺鎏冬摘要本文主要研究了适用于钛舍金搅拌摩擦焊接用搅拌头的设计及磨损情况，测试与分析了钛合金搅拌摩擦焊接温度场，进行了y i 一6 a i - 4 v 搅拌摩擦焊接工艺研究并分析了接头的组织特征与力学性能。设计了焊接钛合金的搅拌头并进行了焊接试验，焊接过程中发现，纯钨搅拌头磨损与变形非常严重，硬质合金搅拌头扎入深度很小时钎料熔化且被挤出。为了弄清钛合金搅拌摩擦焊接的热过程，本文测试与分析了搅拌摩擦焊接温度场。发现钛合金搅拌摩擦焊接时的最高温度至少为1 0 0 0 c ，测得搅拌头轴肩边缘处的最高温度为5 4 0 2 ，焊接过程中焊缝两侧温度并不对称，各点热循环曲线的最高温度也不对称，加热速度较侠。冷却速度较慢。温度随距离搅拌头肩部越远，温度越低。利用纯钨搅拌头搅拌摩擦焊接钛合金，得到了成形良好的焊接接头。发现焊缝区呈几个截然不同的微观组织区域。焊缝区分布着粗大的a 过饱和针状马氏体且随着厚度的不同晶粒有着细微的变化；热机械影响区非常窄，宽度约为5 0 a m ；热影响区晶粒与母材相比没有太大变化。当转速一定时，焊接速度越大，焊核中心的晶粒越细小。研究了焊接速度和搅拌头旋转速度对接头拉伸强度的影响。当旋转速度为6 0 0 r p m ，焊接速度为8 0 m m m i n 时，焊缝成形良好并且接头的拉伸强度几乎达到了母材的1 0 0 。拉伸结果表明，接头断裂一般发生在焊缝处。接头热影响区的显微硬度与基体金属相比显著上升。关键词搅拌摩擦焊；钛合余；微观组织；力学性能：搅拌头竺垒鎏! 兰查兰! ：耋竺! ：兰竺篁兰：= =a b s t r a c tt h ep i nt o o l su s e di nt h ef s wo ft i t a n i u ma l l o yw e r ed e s i g n e da n dt h e i rw e a r i n gw a se x a m i n e d t e m p e r a t u r ef i e l do ff r i c t i o ns t i rw e l d i n gj o i n t sw a st e s t e da n da n a l y z e d f r i c t i o ns t i rw e l d i n gp r o c e s so ft i 一6 a i - 4 vw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sw e r ea n a l y z e d ，l h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a td e f o r m a t i o na n dw e a r i n go ft h ep i nt o o lo fp u r et u n g s t e nw e r ev e r ys e r i o u sd u r i n gf s w b r a z i n ga l l o yw a sm e l t e da n de x p e l l e dw h e nt u n g s t e nc a r b i d et o o li n s e r t e di n t ot h ew o r k p i e c e s 、e m p e r a t u r ef i e l do ff r i c t i o ns t i rw e l d e dj o i n t sw a st e s t e da n da n a l y z e di no r d e rt oi n v e s t i g a t et h eh e a tp r o c e s so ff s wi th a sb e e nf o u n dt h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei s10 0 0 ca tl e a s td u r i n gw e l d i n g a n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x f l n u mt e m p e r a t u r ei sa b o u t5 4 0 ，2 a tt h ee d g eo ft h et o o ls h o u l d e r t h ep e a kt e m p e r a t u r ew a sa s y m m e t r i cf r o mt h et w os i d e so ft h ew e l d e dj o i n ta n dt h et h e r m a lc y c l e s h e a t i n gr a t e sw a sh i g ha n dc o o l i n gr a t e sw a ss l o w t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r eg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t hd i s t a n c ea w a yf r o mt h et o o ls h o u l d e r g o o dw e l d e dj o i n t sw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h ep i nt o o lo fp u r et u n g s t e n t h ew e l da r e ae x i s t e di ns e v e r a ld i s t i n tm i c r o s t r u c t u r er e g i o n s i th a sb e e nf o u n dt h a tag r e a td e a lo fc o a r s eq m a r t e n s i t ed i s t r i b u t ei nw e l dn u g g e ta n dc h a n g es l i g h t l yw i t ht h et h i c k n e s so ft h es p e c i m e n ，c r y s t a l si nt h e r m o m e c h a n i c a la f f e c t e dz o n eg r o ws w i f t l ys u b j e c t e dt ot h e r m a l c y c l ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n 。a n dn a r r o ww i d t hi sa b o u t5 0 1 t i n ，a n dc r y s t a l si nh e a t e da f f e c t e dz o n ev a r yl i t t l ew i t ht h o s ei nb a s em e t a l e f i e c t so ft r a v e ls p e e d sa n dr o t a t i o ns p e e d so nt h et e n s i l es t r e n g t ho ff sw e l d e dj o i n t sw a si n v e s t i g a t e d t h ec o e f f i c i e n to ft h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t sc o u l db eu pt o10 0 a tt h er o t a t i o ns p e e do f6 0 0 r p ma n dt h et r a v e ls p e e do f8 0 m m m i nt e n s i l es t r e n g t hr e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h ew e l d e ds a m p l e sf a i li nw e l d s t h em i c r o h a r d n e s si nt h eh a zw a sh i g h e rt h a nt h a ti nt h eb a s em e t a l k e yw o r d sf r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；t i t a n i u ma l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；p i nt o o l哈尔滨丁业人学丁学坝 学位论义1 。1 引言第l 章绪论钛合金具有较高的抗拉强度( 4 4 l 一1 4 7 0 m p a ) ，较低的密度( 4 5 9 c m 3 ) ，是一种优良的轻质结构材料，同时还具有较好的比强度、耐热性、韧性和焊接性，综合性能优越。它在3 0 0 3 5 0 c 的高温下仍具有足够高的强度，而铝台金和镁合金只能在1 5 0 2 5 0 c 范围内作结构材料，钛合会还可以在大多数酸碱盐介质中具有优良的抗腐蚀性能，此外它还具有优良豹低温性能。因此钛合金在航天、航空、造船、化工、冶金等工业部门应用很广泛，由于采用了钛合金构件，不仅提高了结构的使用寿命，而且减轻了重量，具有显著的经济效益。因此，对钛合金的连接技术的研究就变得极为重要。焊接钛合盒常用的方法是氩弧焊。钛合金在表面氧化膜的作用下能保持高的稳定性和耐腐蚀性，但是在5 4 0 c 以上生成的氧化膜则较疏松，使钛与氧、氢、氮的反应加剧，钛在3 0 0 c 以上快速吸氢，6 0 0 c 以上快速吸氧，7 0 0 c 以上快速吸氮，焊缝中氧、氢、氮含量过高，会引起接头脆化，导致冷裂纹的产生。目前新兴的一种焊接方法一搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 被认为是很有前途的焊接方法。搅拌摩擦焊技术是种新的塑性化连接工艺，由于其焊接热量少，焊接过程中不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，因此也就可以避免上述缺陷，可以形成比一般氩弧焊接更高的焊接质量，因而显示出良好的应用前景而受到世人瞩目。1 2 搅拌摩擦焊基本原理与工艺特点1 2 1 基本原理一般摩擦焊是利用两被焊工件相互摩擦，由摩擦产生的热使被焊材料产生塑性软化区，然后快速停止摩擦，立即加压形成固相焊接头。搅拌摩擦焊则是利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌探头，将探头旋转深入两被焊材料连接的边缘处，依靠高速旋转探头在两被焊材料连接的边缘产生哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，旋转探头周围的塑性软化区金属受到摩擦、搅拌、挤压，并随着搅拌探头沿焊缝向后形成塑性金属流，随后在探头离开后的冷却过程中，在受挤压的条件下，形成固相焊接接头。焊接过程示意图如图1 1 所示”】。1 2 2 工艺特点图1 i搅拌摩擦焊过程示意图i2由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，避免了普通熔焊可能产生的缺陷，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料，其主要优点如下j 】：( 1 ) 焊接接头质量高，焊接接头不易产生缺陷，焊接接头热影响区显微组织变化小，焊接工件不易变形；( 2 ) 能一次完成较长焊缝、较大截面、不同位置的焊接：( 3 ) 不需添加焊丝，不需保护气体，不需焊f 除去氧化膜，成本低：( 4 ) 设备简单，便于实现机械化、自动化，能耗低，功效高；( 5 ) 可焊接热裂纹敏感的材料，适合异质材料的焊接；哈尔滨工业大学工学烦十学位论文( 6 ) 焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。搅拌摩擦焊也存在一定的缺点fs - 7 ：( 1 ) 焊件必须刚性固定，反面应有底板；( 2 ) 焊缝结束探头提出工件时，焊缝尾部常有匙孔存在( 目前己可以实现无孔焊接) ；( 3 ) 对扳材进行单道连接时，目前焊速不是很高；( 4 ) 在某些情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用：( s ) 搅拌头的磨损消耗太快；( 6 ) 焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；( 7 ) 与弧焊相比，缺少焊接操作的柔性，不能实现添丝焊接。1 3 搅拌摩擦焊研究现状及应用搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是英国焊接研究所( t w i ) 1 9 9 1 年1 0 月提出的发明专利 s l 。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，t w i 进行了较多的研究，并于1 9 9 3 年、1 9 9 5 年申请了专利。目前，t w i 主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括：钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所( e d i s o nw e l d i n gi n s t i t u t e ，简称e w i ) 与t w i 密切协作，也在进行f s w 工艺的研究【9 j 。美国的洛克希德马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、海军研究所、d a r t m o u t h 大学、德克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗里纳大学、德国的s t u t t g a r t 大学、澳大利亚的a d e l a i d e 大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究i g , 9 l 。搅拌摩擦焊工艺是自激光焊问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大的变革。从材料焊接角度，t w i最初研究了搅拌摩擦焊在铝合金的应用。目前，搅拌摩擦焊在铝合金的连接方面研究得最多，已成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2 0 0 0 系( a 1 -c u ) 、5 0 0 0 系列( a 1 - m g ) 、6 0 0 0 系列( a 1 m g - s i ) 、7 0 0 0 系列( a l z n m g ) 、8 0 0 0系y o ( a i l i ) 等。t w i 在1 9 9 7 年完成了使铝合金的搅拌摩擦焊进入工业应用阶段的初步研究工作【l ”。目前，用搅拌摩擦焊铝合金取得了较好的效果，现在英、美等国证进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料的搅拌摩擦焊接。e w i ( 美国爱迪生焊接学会) 甚至提出搅拌摩擦焊有希望焊接镍合金1 1 1 - t 4 。t w i 对搅拌摩擦焊在锌材料中的应用进行了研究。研究结果表明，搅拌摩擦焊接能够用于焊接比较薄的锌板一一被认为难以进行熔化焊接的材料”，焊接o 8 r a m 厚的锌板的速度超过1 8 m m i n 。国内北京航空工艺研究所于1 9 9 8 年开始进行搅拌摩擦焊的探索性研究。南昌航空工业学院已用现有的设备焊接了铝合金对接接头、丁字接头，取得了较好的效果f 1 “。最近两年，六二五所也已工艺及设备方面进行研究。1 3 1 铝合金搅拌摩擦焊接研究现状搅拌摩擦焊在铝合金上的应用越来越广泛，研究也越来越深入。铝合金的焊接厚度范围从1 m m 到7 5 m m ，对铝合金焊接头的腐蚀性能、力学性能、组织结构都进行了大量的研究。e b b e r b o n 等人f 1 7 认为搅拌摩擦焊作为一种均匀化铝合金微观结构的方法，产生的细小相可以使铝合金具有很高的强度( 达到6 5 0 m p a ) 而又有良好的延伸率( 1 0 ) 。他们认为良好的延伸率的提高是由于在f s w 工艺过程中得到了均匀化的细小结构，如图1 2 所示，他们所用的材料是a i t i c u 合金。图1 2a 1 一t i c u 合金的屈服强度、拉伸强度利延伸率f ”堕查堡三些查兰三兰堡圭兰竺篓三p s p a o 等人关注了7 0 7 5 铝合命搅拌摩擦焊中的腐蚀疲劳裂纹的生长，认为空气中的f s w 焊缝疲劳裂纹生长率比金属基体稍高 1 ”。在空气和3 5 的n a c l 溶液中，热影响区的疲劳生长率均较低，而与疲劳裂纹生长率成f 比的疲劳裂纹生长的应力强度极限范围则显著高于基体会属。r a p r a d o 等人对6 0 6 l + 2 0 a 1 2 0 3 铝合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损进行了初步研究，主要考察了6 0 6 1 + 2 0 a 1 2 0 3 会属基复合材料和商用6 0 6 1 铝合金，搅拌头分别在5 0 0 、1 0 0 0 、1 5 0 0 、2 0 0 0 r p m 等不同旋转速度下的磨损情况”。研究结果表明对于6 0 6 1 + 2 0 a 1 2 0 3 材料速度为1 0 0 0 r p m 时磨损最大，超过1 0 0 0 r p m 时磨损反而不规则的下降，对于商用6 0 6 1 铝合金磨损并不明显，如图卜3 、1 4 所示。他们分析认为由于复合材料中的大的固相颗粒在焊接过程中被搅拌头搅拌到焊缝区当中，这些固相颗粒能在动态再结晶区域里流动。函-mt i mmu 憾r - i 堆埔峨冁锋l m p i l i 芑0嘲 p 0 0 01 湖0 0t o o l n 船 一i q n l图1 - 3 搅拌头有效磨损和焊接距离关系图卜4 搅拌头有效磨损率和旋转速度关系r s m i s h r a 等人重点分析了搅拌摩擦焊7 0 7 5 铝合金中高应变速率下的超塑性1 2 0 。他们认为铝合金的底应变速率的超塑性阻碍了铝合金超塑成形的广泛应用，尤其是在商业铝合金上。他们的研究表明利用f s w 来产生高应变速率的超塑性铝合金是可能事实上超塑性的铝合余可通过搅拌摩擦焊过程在厚的铝合金获得，对于7 0 7 5 铝合会搅拌摩擦焊接头在应变率为l 1 0 。s 。1 温度为4 9 0 c 时可以获得最佳的超塑性。利用这种技术从商业铝合金中的铸造组织罩也可以获得细小晶粒。他们还提出获得超塑性铝合余制造工艺的三个步骤：铸造、搅拌摩擦焊、超塑成形。w b l e e 等人研究了6 0 0 5 铝合金的焊接速度和时效热处理对f s w 焊接接头的影响【2 l 】。他们认为洋葱环的形状与焊接速度有关，随焊接速度的增加洋葱环的数目减少而环间距增加。拉伸强度随焊速的增加而提高，当焊速为5 0 7 m m m i n 时，拉伸强度最大。晶粒大小与显微硬度的分布不一致，是因为对时效硬化铝合金来说，硬度分布依赖于沉淀物的分布而不是晶粒大小。s h a n a d i 等人研究了2 0 9 5 铝台金薄板搅拌摩擦焊后的超塑性，通过比较焊接区与母材的超塑性，发现焊后材料的超塑性被保留了下来 2 2 1 。1 3 2 铜搅拌摩擦焊接研究现状铝合金搅拌摩擦焊接已成为国内外研究的热点，但对铜及其合金搅拌摩擦焊接的研究尚不多见。近来，北京赛福斯特技术有限公司( 中国搅拌摩擦焊中心) 相关技术人员采用自主研制的搅拌摩擦焊设备成功实现了3 r a m 臼勺紫铜板对接。采用该方法实现铜连接避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足，焊缝外观均匀光滑，无缺陷，楣对于熔焊焊接变形极小，如图l 一5 所示。此外，还成功实现了黄铜板的搅拌摩擦焊对接，如图1 6 所示。图1 5 搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌图图1 - 6 搅拌摩擦焊焊接黄铜板全貌圈刘小文等人1 2 3 1 通过大量试验分析，优化了铜板搅拌摩擦焊接工艺。研究表明工业纯铜具有良好的搅拌摩擦焊接性能，优化工艺可获得强度超过母材的搅拌摩擦焊接接头。3 r a m 厚的铜板搅拌摩擦焊搅拌头最终设计为：搅拌头材料选用n i 基高温合金，形状为圆台形，根部直径4 m m ，轴肩尺寸为1 0 m m ，高度为2 5 m m 。3 m m 厚铜板搅拌摩擦焊工艺参数范围是：旋转速度为9 5 0 1 2 0 0 r m i n ，横向速度为4 7 5 7 5 m m m i n ，压强为1 3 1 9 m p a 。铜一铜搅拌摩擦焊的宏观形貌如图1 7 所示单面焊双面成形，焊缝背面平整。邢丽等人研究了板厚为2 r a m 和1 2 m m 的紫铜板的搅拌摩擦焊工艺，分析了焊接接头组织及性能。结果表明，板厚为2 m m 的紫铜，在较宽的规范范围内，可得到组织致密、无孔洞、无裂纹的焊接接头，接头强度可达到母材的9 0 。板厚为1 2 m m 时，采用双面焊，仅中部有未融合的缺陷，但缺陷在板厚方向的尺寸小于l 的板厚，大大小于钨极氨弧焊时所容许的缺陷率。焊缝的显微组织为典型的再结晶组织，晶粒细小，焊缝两侧热影响区的组织不对称，图1 8 为1 2 m m 厚紫铜板搅拌摩擦焊缝的宏观截面形态口”。暗尔滨f t 业大学工学硕1 j 学位论文图i 一7 铜搅拌摩擦焊宏观外貌图i 8 紫铜板搅拌摩擦焊缝宏观截面幽刘小文等人在优化了铜板搅拌摩擦焊接工艺基础上，分析了铜板搅拌摩擦焊接性能，优化工艺可获得超强子母材的搅拌摩擦焊接接头。焊核区金属在热力耦合作用下发生塑性交形，造成大量晶粒破碎，破碎的晶粒发生动态再结晶，热力影响区组织可分成再结晶区、不完全再结晶区和动态回复区 2 5 1 。肖兵等人对t 2 紫铜的搅拌摩擦焊技术进行了实验研究，对其基本工艺、接头组织和性能等进行了初步分析。实验结果表明，用搅拌摩擦焊方法焊接6 r a m 厚的t 2 紫铜板，焊接规范合适时，可得到成形美观、内部无缺陷、几乎不变形的平板对接接头；搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达母材的9 0 ，搅拌摩擦焊接头的电阻率与母材基本相同f 2 6 】。1 3 3 钢搅拌摩擦焊接研究现状t w i 于1 9 9 7 年1 1 月报道成功搅拌摩擦焊接3 r a m 厚的低碳钢，还于1 9 9 8 年1 1 月开始研究搅拌摩擦焊在厚达1 0 r a m 以上的钢及不锈钢中的应用) 。低碳钢搅拌摩擦焊接的研究结果表明，对于黑色金属也是能够采用搅拌摩擦焊接的。t w i 采用搅拌摩擦焊已经成功地焊接2 5 r a m 厚的碳钢板以l m 长、1 2 r a m厚的含铬1 2 ( w ) 的低碳钢的双边对接焊缝，获得了满意的综合力学性能p ”。用搅拌摩擦焊焊接比较薄的钢板时不需要焊接材料，也不需要进行板材的边缘预整加工，这对工业化生产时降低成本和提高生产效率具有重大的意义。t j l i e n e r t 等人口8 】利用钼基和钨基合会搅拌头以o 4 2 1 6 8 m m s 的焊接速度在6 3 m m 厚的a i s l l 0 1 8 热轧钢板上得到了无缺陷的搅拌摩擦焊焊缝。在焊接过程中，测得搅拌头的轴向载荷约为1 8 7 k n ，扭矩约为5 5n m 。利用热电偶和红外照相系统测得搅拌头与工件接触面的温度接近1 0 0 0 。通过测量搅拌头焊前、焊后的尺寸发现，焊接过程中搅拌头尺寸因磨损和变形略尔滨丁业人学工学硕l 学位论义而发生了改变，在搅拌头插入工件阶段其尺寸变化最大。利用光学显微镜和扫电镜观察焊缝组织，发现焊缝呈几个截然不同的微观组织区域。根据测量的温度和其微观组织可推测搅拌区的最高温度超过了1 1 0 0 c ，并且可能超过1 2 0 0 c 。在室温下测试了焊接接头的抗拉强度，拉伸试验中发现试样断在母材上，试样的拉伸强度和屈服强度与母材相当。研究结果表明钢的搅拌摩擦焊接头有良好的力学性能。搅拌摩擦焊可应用于相变淬硬钢、低合余高强钢和不锈钢。t j l i e n e r t ，研究了应用于造船的6 + 3 5 r a m 厚d h 3 6 钢的搅拌摩擦焊接的可行性【2 ”。试验中采用w 2 5 r e 合金搅拌头，转速为4 0 0 、5 0 0 r p m ，焊速为8 1 0 i p m ，焊接后发现搅拌头并没有发生明显的变形或磨损，通过金相组织发现焊缝微观组织区域包括搅拌区、热影响区、母材。硬度试验测得搅拌区硬度平均为2 1 5 v h n ，而母材为1 9 0 1 9 5 v h n ：拉伸试验中发现试样断在搅拌区上，是由于空洞的存在而导致的，可以通过合理的搅拌工具设计来消除这种缺陷。试验证明搅拌摩擦焊接d h 3 6 钢是可行的。1 3 4 钛合金搅拌摩擦焊接研究现状就钛台金的搅拌摩擦焊而占，主要问题是难以找到适当的搅拌焊头材料，因为将通常用于铝合金的搅拌焊头用于钛合金，搅拌头会因高的工作温度而失效1 3 0 l 。现在英、美等国正进行钛及钛合金的搅拌摩擦焊接，英国焊接研究所( t w i ) 研究了搅拌摩擦焊在钛合金中的应用。对t i 6 a i 4 v 等的研究结果表明，采用搅拌摩擦焊接技术焊接钛合余可以得到高质量的钛合金焊缝，而且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。美国e w i 的t j l i e n e r t 和w l s t e l l w a g 研究了厚度为6 3 5 m m 的t i 6 a i 4 v 钛台金搅拌摩擦焊接，其焊接速度为1 7 m m s ，轴向载荷为4 0 0 0 一4 5 0 0 1 b ，采用情性气体保护。试验中发现，载荷依赖于焊速，焊速增加，载荷增大；工具尺寸变化程度小于钢和镍合会但大于铝合金，且尺寸最大变化在搅拌针刚进入时；在搅拌区表面发现更细的晶粒，可能由于轴肩直接作用，引起局部变形：并未发现同心圆环：焊缝屈服强度和拉伸强度均达到了母材的1 0 0 ；母材和搅拌区的硬度为3 4 0 v h ，而热影响区为3 7 0 v h 。a n t o n i oj r a m i r e z 和m a r yc j u h a s 研究了6 m m 厚的t i 6 a i 4 v 钛合金搅拌摩擦焊接 3 1 1 。搅拌针采用纯钨材料，搅拌头倾斜3 5 ，焊接速度为哈尔滨t 业大学工学顺l j 学位论文9 6 r a m r a i n 、转速为2 7 5 r p m ，轴肩扎入深度为0 1 3 r a m ，试验中采用氩气保护。利用光学显微镜发现焊缝中的热机械影响区非常窄，约3 0j _ t m 宽。搅拌区已超过了6 的转变温度。1 3 5 异种材料的搅拌摩擦焊接研究现状柯黎明等人p 刘对铝合金与工业纯铜、铝合余与低碳钢进行了搅拌摩擦焊接实验研究，图1 9 为接头宏观形貌。结果表明，用搅拌摩擦焊方法代替熔化焊方法焊接异种材料，选用恰当的焊接工艺参数，能实现铝合会纯铜、铝合盒钢等异种金属的搅拌摩擦焊连接，且接头的组织、性能优良。用搅拌摩擦焊方法焊接容易形成金属问化合物的异种材料时，对于薄板，形成良好焊缝成形的规范参数范围较宽，对于厚板，形成良好焊缝成形的规范参数范围较窄。锅台金低碳钢搭接接头锅台金纯铜t 形接头锅铜对接接头幽卜9 接头宏观形貌利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝钢板材之f 刚的焊接，2 0 0 3 年中国搅拌摩擦焊中心成功实现了铝铜合金、铝镁合金异种材料的搅拌摩擦连接。下图1 i o 、1 1 1 分别为铝铜合余、铝镁合金搅拌、摩擦焊接头m 。图1 i o 铝铜的搅拌摩擦焊接头图l 一11 铝镁的搅拌摩擦焊接头l e m u r r 等人分析了a 1 2 0 2 4 c u 焊接过程中2 0 2 4 a 1 发生再结晶而c u未发生再结晶，两者混合后呈带状分布，也是动态再结晶的结果。6 0 6 1a 1 c u焊接时，再结晶与两者的相互插入有助于6 0 6 1 a 1 向c u 中的流动。a g 2 0 2 4 a i 焊接时，在混合区a g 较多的区域晶粒快速增长形成粗大的a g 晶粒1 3 4 1 。t s h i n o d a 等人 3 5 1 对s s 4 0 0 a d c l 2 的搅拌摩擦焊进行了研究，他们认为关键问题是探针的位置和旋转方向。研究表明探针的一侧与钢板之间的距离为0 时位置最佳，旋转方向为顺时针最佳。l k a r l s s o n 等人研究了a a 5 0 8 3 c u 的搅拌摩擦焊，发现焊核处无图环且表面比较粗糙，焊缝处a 1 和c u 之间混合较差，拉伸试验表明断裂位置在焊核与热机械影响区的边界处。弯曲试验表明断裂位置在焊核回转侧的热机械影响区的界面处，并指出接头质量能进一步提高，但是过低的焊接速度对接头强度和塑性是不利的1 3 “。文献 3 7 1 主要描述了2 0 2 4 6 0 6 1 a 1 的f s w 的焊缝的固态流变的可视化。对于异种铝合金的搅拌摩擦焊接头其复杂的流变形式往往很难进行清晰的可视化，他们主要根据不同的合会对不同的腐蚀敏感性使用不同的腐蚀液来获得合金不同形式的流变形态，还研究了搅拌头的不同旋转速度对涡流形态的影响，他们认为高的旋转速度促进了晶粒的长大，破坏了低速时接头晕规范的涡流特征。1 4 本课题研究意义及目的和主要研究内容关于铝合金的搅拌摩擦焊研究很多，但是对钛合余搅拌摩擦焊研究的文章尚不多见，因此有必要对其进行深入系统的研究。本课题结合摩擦生热温度场的测试与分析、接头的微观组织以及力学性能来研究钛合金搅拌摩擦焊接工艺。由于钛合金在航空航天的广泛需求要求对钛合金搅拌摩擦焊的成形规律和接头组织的演变规律以及实际应用进行研究和分析，为将来实现在航空航天钛合金构件上高效高质量的焊接奠定应用基础。鉴于国内的试验设备水平以及研究现状，本论文拟进行以下研究工作：1 研究搅拌头的设计及磨损：2 研究t i 6 a 1 4 v 搅拌摩擦焊接温度场，进行测试与分析：3 研究3 m m t i 6 a 1 4 v 搅拌摩擦焊接工艺及焊接接头力学性能分析。哈尔演 。业人学下学硕l 学位论文2 i 引言第2 章搅拌头的设计及磨损搅拌头是搅拌摩擦技术的关键，它可以说是搅拌摩擦焊的心脏，也是搅拌摩擦焊方法的核心。搅拌头的主要功能是加热和软化被焊接材料( 工件材料) ；破碎和弥散接头表面的氧化层；驱使搅拌针前部的材料向后部转移：驱使接头上部的材料向下部转移；使转移后的热塑化的材料形成固相接头。它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大焊接材料的种类，能否提高焊接材料的厚度。搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的三个主要决定性因素，关系到连接接头的性能与生产成本和效率。因而，搅拌头的型体设计与搅拌头材料的选取，对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺至关重要。目前，搅拌摩擦焊接主要应用在低熔点材料上，如铝、镁等合余。焊接这些材料时，搅拌头的变形和磨损并不严重。而对于焊接如低碳钢、不锈钢、钛及钛合金、镍合金、甚至高温合金等高熔点的金属材料。搅拌头的变形和磨损是要着重考虑的问题，因为它将影响到搅拌头的使用寿命，从而因搅拌头尺寸的变化影响到焊接质量。2 2 搅拌头的设计2 2 1 搅拌头的型体设计搅拌头是搅拌摩擦技术的核心部分，搅拌头的形状决定了焊缝金属受热、塑性流变和受力的方式；搅拌头的尺寸决定了焊缝的大小、焊接速度及工具强度。因此，搅拌头的型体设计对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺至关重要。一般说来，搅拌头包括两部分：搅拌头轴肩和搅拌针。2 2 1 ，l 搅拌头轴肩搅拌头轴肩的设计对于搅拌摩擦焊过程中的辅助热源输入起着极为重要的作用。对于不同材料的焊接，搅拌头轴肩的设计非常关键。文献 3 8 】中提出多种轴肩的设计方案。图2 一i 为常见的几种轴肩的几何哈尔滨工业大学工学硕士学位论文形貌。图2 - 1 各种轴肩的几何形貌【3 8这些多样化的轴肩设计增强了搅拌头和工件之间的祸合，并能够对在焊接过程中挤出的塑性材料进行有效的密封，以保证形成致密的焊缝。2 2 1 2 搅拌针目前搅拌针的形状主要有以下几种：圆柱形、圆锥形、螺旋形。1 柱形搅拌针柱形搅拌针( 图2 2 ) 应用于搅拌摩擦焊工艺的初始阶段，然而在焊接过程中，柱形搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力较弱，软化材料的流动性较差。在实验过程柱形搅拌针存在耐冲击力弱，即在焊接行走起始瞬间搅拌针容易在针的根部断裂，或经过较少几次焊接后，搅拌针在焊接起始瞬间断裂；焊后接头性能较差等缺点。倒2 - 2 柱形搅拌针2 锥形螺纹搅拌针和三沟槽锥形螺纹搅拌针哈尔滨工业人学t 学预 ? 学位论文锥形螺纹搅拌针( w h o r l ) ( 图2 - 3 ) 和三沟槽锥形螺纹搅拌针( m x t r i f l u t e )( 图2 4 、图2 5 ) 是英国焊接研究所( t w l ) 近期设计出的两种新型搅拌针。它们的共同之处是都里平截头体状而且带有螺纹，设计成锥体，大大减少了相同半径圆柱体搅拌探头的材料卷出量。据计算，带螺纹的搅拌探头减小了6 0 ，而带三沟槽的搅拌探头减小了7 0 。对于三沟槽锥形螺纹搅拌针，锥面上开有三个螺旋槽，以减小搅拌针体积，增加软化材料的流动性，同时破坏并分散工件表面上的氧化物【3 ”。另外，平截头体形状搅拌针上的螺纹能促进搅拌头附近的塑性软化材料具有向上运动的趋势。为了改善软化材料的流动路径，一些研究人员还在搅拌针上设计出平台，或沟槽( 图2 7 ) 4 0 1 。图2 - 3 锥形螺纹搅拌针1 3 9 图2 - 4 典型三沟槽锥形螺纹搅拌针1 3 9图2 5 三沟槽锥形螺纹搅拌针1 3 9 图2 6 外开螺纹搅拌针【”哈尔滨工业大学工学硕士学位论文圈2 7 不同形式的锥形螺纹搅拌针4 03 外开螺纹搅拌针外开螺纹搅拌针( f l a r e d t r i f l u t e ) ( 图2 - 6 、图2 8 ) 共有四种形式。图2 8 a 在靠近轴肩部分是平截头体状，但是开槽的地方却像权一样支开，锥度方向与平截头体相反，其目的是为了增加搅拌针的直径，而不改变轴肩的尺寸，搅拌头的端部是一个三叉样的搅拌器。这样的外形特征都为了增加搅拌针扫过体积与搅拌针静态体积问的差值( 即增大动、静态体积比) ，改善软化材料沿搅拌头侧面环向流动的路径。图2 8 b 为左旋凹槽，图2 8 c 为右旋凹槽，图2 - 8 d 贝t j 背脊上开有螺纹。这种搅拌头既增加了软化材料流动时的混合动作，又能充分粉碎和分散工件表面的氧化物：搭接焊时，焊接区域宽度与板厚的比为1 9 0 ，因而焊接压力减少2 0 ，可明显减少轴肩与焊缝表面上的压入量，有效提高接头的承载能力：还可以使焊接速度提高一倍”。图2 8不同形式的外开螺纹搅拌针【”略尔演丁业大学丁学倾，学位论史4 偏心圆搅拌和针偏心圆螺纹搅拌针偏心圆搅拌针( t r i v e x ”) ( 图2 - 9 ) 和偏心圆螺纹搅拌针( m x t 6 v e x )( 图2 1 0 ) 的外形最早是由搅拌摩擦焊的动态模拟得出的。搅拌摩擦焊动态流动模型是对焊接过程的三维动态模拟，它允许材料之间滑动甚至粘到搅拌针表面。用这项模拟技术可以观察到各种不同搅拌头焊接时塑性材料的流动形式。应用这项技术得出如下结论：在用具有球面特征的搅拌针进行焊接时，焊接方向的顶压力较小。该模型计算结果还表明，当搅拌针最小的纵截面与搅拌针旋转起来扫过的纵截面面积比在7 0 8 0 之间时，焊接方向的压力最小。偏心圆螺纹搅拌针与偏心圆搅拌针相比，偏心圆螺纹搅拌针增加了螺纹，从而更有利于粉碎工件表面上的氧化膜，有利于获得高强度的接头1 4 1 。图2 9 偏心圆搅拌针1 4 1 1图2 1 0 偏心圆螺纹搅拌针【45 非对称搅拌针非对称搅拌针与传统搅拌针差异较大，搅拌针中心轴与设备的中心轴存在一个偏角，而轴肩的表面垂直于设备的中心轴( 图2 i1 ) 。因而，在焊接过程中非对称搅拌针不是以搅拌头自身中心轴旋转。由于搅拌针只有部分表面直接与工件摩擦接触，搅拌针上部分材料可以被切去，以增加焊接过程中软化材料的流动路径，图2 ，1 2 为改进后的搅拌针。采用非对称搅拌针焊接可提高搅拌头周围塑性软化区的范围，同时这种搅拌针的搅拌动作可以提高搅拌针的动态与静态体积比。而传统搅拌针的中心轴与设备的中心轴相重合，其旋转中心即为搅拌针的中心轴，因而只能靠改变搅拌针的形状来来改善搅拌针的动、静态体积比 4 0 i 。图2 - 1 1 竹对称搅拌针i ”图2 - 】2 改进后的非对称搅拌针f ”2 2 2 搅拌头材料的选取搅拌头的材料决定了摩擦加热的速度、搅拌头的强度和工作温度以及哪些材料能够进行搅拌摩擦焊及搅拌头的使用寿命。因而，搅拌头材料的选取对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺也是至关重要的。搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成，这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小。一般，用于搅拌头的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷、聚晶立方氮化硼、天然金刚石等。对于焊接铝合余、镁合金等这些低熔点的材料，搅拌头材料一般为工具钢。而对于焊接如普通碳钢、不锈钢、钛及钛合金、镍合金、甚至高温合金等高熔点的金属材料，搅拌头材料的选择至关重要，所选择的搅拌头材料应该具有高熔点、耐磨性及足够高的热强度。下表2 - 1 介绍了一些焊接高熔点金属材料的搅拌头材料。表2 - 1 搅拌头材料高熔点金属材料搅拌头材料3 0 4 l 不锈钢钨合金d h 3 6 钾iw - 2 5 r e 钨铼合金a i s i1 0 1 8 低碳钢钨基与钢基合金调质c m 1 1 钢、a 3 6 钢、聚晶立方氮化硼s a f 2 5 0 7 不锈钢t i 6 a i 4 v 钛合金硬质台金、纯钨2 2 3t i 6 a i 4 v 钛合金搅拌头的设计对于钛合金这种高熔点金属材料的连接，搅拌头的型体设计与材料的选取至关重要。t i 6 a i 4 v 钛合金的熔点为1 5 7 0 1 6 5 0 ( 2 ，这就要求搅拌头材料具有高熔点、高强度、良好的耐热和耐磨性能。纯钨的熔点高达3 4 1 0 土1 0 ，同时纯钨还有比重大、强度硬度离、导热导电性能好、耐热、耐磨、耐腐蚀、化学性能稳定等优异的特性。钨在常温下具有很高的强度( 4 9 08 8 2 m p a ) 和硬度( 3 2 0 4 1 5 h b ) 。因此，适合作为焊接t i 6 a i 4 v 钛合金的搅拌头材料。硬质合金具有高硬度，常温下可达h r a 9 3 9 4 ，并且在5 0 0 0 以下基本保持不变；其高温红硬性好，使用温度可达1 0 0 0 ( 2 ；抗弯强度为1 0 0 0 4 0 0 0 m p a ，抗压强度达6 0 0 0 m p a ；常温刚性好，无明显的塑性交形，耐磨能力约为高速钢的1 5 2 0 倍。因此具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、抗氧化和线膨胀系数小等一系列优点的硬质合金，也适合作为焊接t i 6 a i 4 v 钛合金的搅拌头材料。本试验中焊接t i 6 a i 4 v 钛合金搅拌头材料考虑选用纯钨和硬质台会两种材料，搅拌针形状均为锥形。搅拌头的尺寸设计如图2 1 3 、图2 1 4 、图2 一1 5 所示。图2 1 6 为纯钨搅拌头，图2 一1 7 为硬质合会搅拌头。篁垒堡! ：些查兰! 茎堡：兰竺篁量：!：=b4 ：1蚓2 13 纯钨搅拌头设计到幽2 1 4 性质合金搅拌火硬质台金部分没汁幽哈尔演工业大学工学硕士学位论文图2 1 5 硬质合金搅拌头设计圈图2 1 6 纯钨搅拌头图2 - 1 7 硬质台金搅拌头2 3 搅拌头的磨损利用自行设计的纯钨搅拌头进行焊接试验，以确定它的可行性。试验中发现纯钨搅拌头磨损与变形非常严重，因为搅拌头尺寸的变化会影响到焊接质量，因此在钛合金的搅拌摩擦焊接中，搅拌头的变形和磨损是要着重考虑的问题。图2 】8 描述了试验中搅拌头的磨损与变形情况。趣a )b )c )d )e )g )幽2 - 1 8 搅拌头磨损与变形情况图2 1 s a ) b ) c ) 分别为原搅拌头、焊接1 0 0 m m 、焊接2 0 0 m m 以后的搅拌头尺寸。我们从图中可以看出搅拌针的直径和长度均变小了，并且图2 - 1 8 b )搅拌头轴肩处发生了变形，图2 1 8 c ) 搅拌头轴肩和搅拌针均粘上了母材，可见搅拌头的磨损和变形十分严重。图2 1 8 e ) 为图2 1 8 d ) 焊接8 0 r a m 以后的尺寸，在焊接过程中，搅拌头材料脱落的同时也沾粘上了母材。同样，搅拌针上发生的情况也是如此，如图2 1 8 f ) 和图2 1 9 9 ) 所示。综合以上分析，为了减少搅拌头的磨损和变形，可以采取下列一些工艺哈尔滨工业大学工学硕士学位论文措施：( 1 ) 预热扎入区；( 2 ) 低速扎入；( 3 ) 增加扎入停留时间：( 4 ) 大直径的搅拌针；( 5 ) 在扎入区穿孔，孔的大小与搅拌针直径大小相当孔的深度小于或等于板厚，开孔示意图如图2 1 9 。翻2 1 9 开孔示意幽在焊接过程中，搅拌头轴肩与搅拌针上的搅拌头材料部分已脱落，同时粘上了母材。已脱落的搅拌头材料是否由于搅拌头的搅拌作用被搅到了焊缝中，而影响焊接接头的质量。对此，借助予背散射和线扫描的方法对其进行了分析研究。a ) 焊缝表层背散射b ) 焊缝中层背散射c ) 焊缝底层背散射2 0 0 0 xd ) 焊缝底层背散射4 0 0 0 e 1 母材背散射幽2 2 0 焊缝区及母材背散射照片通过图2 ，2 0 焊缝区背散射照片我们发现焊缝表层、焊缝中层、焊缝底层均有白亮部分。通过图2 2 l 的点能谱图来分析白亮部分的成分aa ) 图2 - 2 0 ( a ) e p 亮点处能谱图b ) 图2 - 2 0 ( b ) 中亮点处能谱图表2 - 2 图2 一1 98 ) 中亮点处化学成分e l e m e n tw t a f c k1 5 8 14 0 9 2nk0 2 4 40 5 4 la lx0 4 9 30 5 6 8w m0 3 9 20 0 ，6 6玎眉7 2 9 04 7 3 2表2 - 3 图2 1 9b ) 中亮点处化学成分e l e m e n tw t a t cx2 1 0 75 5 5 6nx0 0 4 50 1 0 3a f 置0 2 1 00 2 4 6w m1 9 5 50 3 3 7乃x5 6 8 33 7 5 8哈尔滨 _ ：业丈学工学硕二f + 学位论文表2 - 4 图2 1 9 b ) 中灰暗处的化学成分e 跆m e n t撇a t c 置1 7 6 04 4 5 8nxo i 4 20 3 0 8a lx0 2 8 20 3 1 8w m0 0 8 20 0 1 4鄹置7 5 1 64 7 7 3矿置0 2 1 70 1 3 0c ) 图2 - 2 0 ( b ) 中灰暗处能谱图图2 - 2 1 焊缝区的点能谱分析结果从能谱成分上可以明显看出，焊缝表层、焊缝中层均含有钨这种化学成分，焊缝底层即搅拌区中心底部附近白亮部分也一定含有钨元素，其特征显然是从搅拌头上脱落的。这表明，在焊接过程中由于搅拌头的摩擦、搅拌、挤压作用，已脱落的搅拌头材料被搅拌头搅到了焊缝中。表2 - 5 化学成分e k m e r i tw t a t c x0 2 4 70 8 4 2nk0 2 2 l0 6 4 74 f 置0 5 7 20 8 6 7w m0 0 3 50 0 0 8竹置8 7 0 27 4 5