焊接规范参数对TC4钛合金线性摩擦焊焊缝成形影响

1、焊接规范参数对TC4钛合金线性摩擦焊焊缝成形影响杨剑赟，邢丽基金项目：“材料热加工”航空科技重点实验室开放基金资助(ZK200801002)作者简介：杨剑赟，1987年，男，汉族，江西新余人，硕士研究生。导师：邢丽，教授。 (“材料热加工技术”航空科技重点实验室 南昌航空大学, 南昌330063)摘 要：本文运用红外测温方法，采用不同工艺参数对TC4钛合金进行了线性摩擦焊试验，并对焊缝横截面进行了观察。研究结果表明，线性摩擦焊焊缝宏观形貌总体分为“X”型、“I”型、“V”型，三种焊缝形态与焊接摩擦压力及热输入量大小有关。在对焊缝微观形貌观察时发现，在相同条件下，振幅减小使焊缝区变窄，同时会降低

2、焊缝塑性金属的流动性；而当摩擦压力增幅小于热输入量增幅时，焊缝区变宽，焊缝金属流动性仍有所提；频率提高时匹配大振幅，虽能引起热输入量升高，但热损失较大，不利于焊缝塑性金属流动。同时，发现焊缝氧化物缺陷位于焊缝中心，并沿焊缝呈连续的线状或断续的长条状分布，在一定条件下，增大轴向缩短量，有助于避免焊缝缺陷的产生，对于小截面试样，合适的缩短量为12mm。关键词：TC4钛合金；线性摩擦焊；规范参数；焊缝成形引言线性摩擦焊（LFW）技术作为一种优质、高效、节能的固态连接工艺，具有焊接变形小、无污染等特点。与传统熔焊相比，由于其焊缝窄且为锻造组织，避免了气孔、裂纹的出现；与其他固相焊接方法相比，线性摩擦焊

3、能够克服材料截面的限制12。鉴于这些优势，目前线性摩擦焊技术主要应用于航空航天领域，尤其是发动机整体叶盘结构的制造过程中34。虽然线性摩擦焊能获得高质量的接头，但在焊接过程中，如果工艺参数的选择不当，也会导致缺陷的产生。近年来，已有不少学者进行了线性摩擦焊试验研究。Wanjara等5发现在频率50HZ、振幅2mm、摩擦压力50MPa时，线性摩擦焊接头强度超过母材；A. Vairis 与M. Frost6等发现了高频率对钛合金线性摩擦焊接头质量的影响，认为高频率下需要采用较低的摩擦压力、合适的振幅，才能保证热输入量适宜，以得到合适的接头；J.Romero等7则找到了顶锻压力对焊缝形态的影响，发现

4、随顶锻压力的增大，焊缝及热力影响区的宽度均有所下降。在上述研究中，找到了部分工艺参数与接头质量的关系，但是，在不同工艺参数下，焊缝是否有几类形态与之对应；缺陷产生后，如何调整参数来避免缺陷的产生还没有研究。综上所述，找到工艺规范参数与焊缝成形的对应关系，通过适当调整焊接参数确保重复实现优良的焊缝成形，对线性摩擦焊的应用则有所帮助。文中通过对TC4钛合金线性摩擦焊焊缝横截面的观察，结合输入功率，分析焊缝形貌的形成过程，得到焊接规范参数与焊缝成形的相互关系，避免焊缝缺陷的产生。1 试验材料与方法待焊材用退火态厚板TC4钛合金加工成451810mm试样，成分见表1。试验在西北工业大学自制的XMH16

5、0型线性摩擦焊机上进行焊接，如图1所示，其中一个试样固定，另一个试样相对固定试样做线性往复运动，通过摩擦产热，使摩擦界面达到塑化状态，最后在顶锻压力的作用下形成接头。线性摩擦焊的关键工艺参数主要有频率、振幅、摩擦压力及焊接时间等，因此，焊接时改变频率、振幅及摩擦压力观察参数变化对焊缝成形影响，焊接时间统一为3s，具体工艺参数见表2。此外，利用MST70A21型红外测温仪测量焊接界面的峰值温度，界面输入功率则按如下公式8计算： 式中，PI（power Input）为界面输入功率；A为振幅；f为振动频率；P为摩擦压力；S为焊接面积。表1 TC4钛合金化学成分（质量分数，%）元素AlVFeOHNCT

6、i含量5.56.53.54.50.250.200.0130.070.08余量表2焊接工艺参数试样编号频率f(HZ)振幅A(mm)摩擦压力(MPa)1353.5502353503353.5604403.5505352.5556402.5607303.555830360940355焊后金相试样的截取如图2所示，沿平行振动方向，切取至试样中部，将得到的焊缝横截面镶嵌、打磨并抛光后采用Krolls试剂腐蚀，其化学成分为100mlH2O+2mlHF+5mlHNO3。截取出的金相 焊缝 振动方向 振动方向 摩擦压力图1线性摩擦焊示意图 图2 焊后试样金相截取示意图2 试验结果与分析2.1焊接工艺参数对焊缝

7、宏观形貌的影响表3为获得三种焊缝形态时对应的焊接工艺参数、焊接热输入量以及焊缝峰值温度数据结果。为便于后续分析，将各参数定性划分，其中，大、中、小摩擦压力值为：60、55、50；大、中、小振幅值分别为3.5、3、2.5；大、中、小频率值分别为：40、35、30。从表中可见，当采用较低的摩擦压力（50MPa）时，匹配较大或适中的振幅，适中的频率，就能得到成形良好的“X”型焊缝，测得的焊缝峰值温度也较高，在1200以上；如果振幅与频率均偏大，焊缝则会出现缺陷，呈“V”型，焊缝峰值温度则有所下降。当采用适中的摩擦压力（55MPa）时，振幅与频率其中任一参数过大或过小，均会造成焊缝缺陷的出现，形成“V

8、”型焊缝，焊缝峰值温度也相对偏低。当采用较大的摩擦压力（60MPa）时，适中的振幅及较小的频率会形成“X”型焊缝；进一步提高振幅及频率后，焊缝呈“I”型，成形良好；而匹配小振幅及较大的频率时，焊缝呈“V”型，且存在缺陷，在该参数条件下焊缝峰值温度还处于最低值。表3不同工艺参数下的焊缝成形试样编号摩擦压力P/MPa振幅A/mm频率f/HZ热输入量PW/KWmm2峰值温度/焊缝形态焊缝宽度/mm成形状况150(小)3.5(大)35(中)5.41230X型2.2成形良好2503(中)35(中)4.612000.824503.5(大)40(大)6.21155V型/存在缺陷555(中)2.5(小)35(

9、中)4.31180V型/存在缺陷6553.5(大)30(小)5.31145V型/存在缺陷9553(中)40(大)5.81210V型/存在缺陷360(大)3.5(大)35(中)6.51220I型2.76成形良好7602.5(小)40(大)5.11130V型/存在缺陷8603(中)30(小)4.81175X型0.63成形良好图3为上述三种焊缝宏观形貌，图3-3ac分别取自1号、3号以及6号试样，图中Z侧表示振动端，J侧表示静止端，点画线为焊缝中心线。在图3-3a中，可观察到焊缝中部窄，两端宽，焊缝形貌以焊缝中心线为对称中心，呈“X”型，此外，从飞边形貌可看出，塑性金属是在挤压力的作用下，由中部被推

10、挤至焊缝两侧，因此较为宽大。在图3-3b中，发现焊缝中部及两侧宽度较为一致，焊缝形貌以焊缝中心线为对称中心，呈“I”型，焊缝飞边的形态则与图3-3a中不同，塑性金属并不是由中部推挤至两侧，而是类似于摩擦面塑性金属整体滑移出界面的形式，因此显得较为细窄，飞边的顶端也较尖。在图3-3c中，焊缝一端宽一端窄，焊缝形貌沿焊缝中心线对称，但垂直焊缝中心线不对称，呈“V”型，与图3-3a与图3-3b相比，飞边的形貌明显不对称，大量塑性金属朝一侧堆积，另一侧仅有少量挤出，挤出的塑性金属在焊缝外也未相互连接。3mm 3mm ZJ焊缝 3mm ZJ焊缝 ZJ焊缝 Y振动 方向 Z厚度 方向 X轴向 a)“X”型

11、 b）“I”型 c）“V”型 图3三种焊缝宏观形貌在线性摩擦焊中，两工件刚接触时，试样表面粗糙，仅部分粗糙峰有接触，接触面积小，处于弹性变形状态，为外摩擦。在轴向载荷的作用下，接触的粗糙峰会迅速嵌入对方，产生塑性变形，当大部分粗糙峰都在轴向压力的作用下消失，接触面急剧增大而产生瞬时高温后，材料发生塑化，结合面逐渐被一层高温粘塑性金属覆盖（塑性层），两侧工件的相对运动发生在这层粘塑性金属内部，产热机制由初始的摩擦产热转变为塑性变形产热，进入内摩擦阶段。在内摩擦阶段，轴向载荷提供的摩擦压力P促使塑性金属流动，其振幅A与频率f则维持热输入量，因此，摩擦压力、振幅和频率的不同匹配会造成焊缝金属受力及焊

12、缝温度不同，其塑化程度及流动性也有所差异。当采用较小的摩擦压力时，振幅与频率适中（2号试样），热输入量就较为适宜，焊缝中部金属先被加热，而后逐渐扩展至两侧。中部金属最先达到完全塑性状态，流动性好，在挤压力的作用下向焊缝两侧流动，挤压两侧金属，使焊缝两侧发生挤压变形，就形成了“X”型焊缝及其较为宽大的飞边。在相同摩擦压力条件下，振幅提高后（1号试样），热输入量进一步增大，发生屈服及塑化的区域变宽，但由于摩擦压力不变，塑性金属的挤出量没有明显变化，因此焊缝宽度由0.82mm扩展到2.2mm；振幅频率同时增大后（4号试样），结合面与空气的接触面积及接触时间增大，导致焊缝温度降低，塑性金属的流动性变差

13、，加之外部提供的摩擦压力较小，氧化物及杂质则更难挤出，造成界面受力不均，使大量塑性金属朝一侧聚集，形成带有缺陷的“V”型焊缝。 当采用适中的摩擦压力时，频率适中，振幅较小（5号试样），缩短了结合面塑性金属的流动距离，氧化物或杂质缺陷不易排出，因此焊缝成形较差。相同条件下，振幅或频率过大（6号、9号），使结合面接触空气面积增大，焊缝温度降低，也会形成带有缺陷的“V”型焊缝。由此推断，当摩擦压力适中时，匹配振幅与频率均适中，应能获得成形较好的焊缝。当采用较大的摩擦压力时，振幅较大、频率适中的参数匹配（3号），使热输入量在9组参数中最大，发生屈服及塑化的区域更宽，焊缝宽度也较大，达到2.76mm，同

14、时结合面在高能量的作用下，焊缝中部及两侧金属几乎同时达到完全塑性状态，在轴向压力及剪切力作用下，焊缝金属同时流动，类似于滑移运动，就形成了“I”型焊缝及其较为细窄的飞边。在相同条件下，振幅较小（7号），形成带有缺陷的“V”型焊缝原因则与5号试样一致；而振幅适中，频率较小时（8号），虽然热输入量不高，但热损失小，塑性金属流动性好，在较大的摩擦压力下塑性金属容易被挤出焊缝，因此焊缝狭窄，宽度仅0.63mm，成形良好。图4为热输入量与焊缝宽度的关系。结合表3与该图发现，在摩擦压力相同的情况下（2号与1号，8号与3号），热输入量较大的焊缝也更宽。在不同的摩擦压力下，当热输入量相对较小时（2、8号），热

15、输入量小幅度增加，焊缝却更窄；在热输入量相对较大时（1、3号），热输入量增幅较大，焊缝就更宽。这是由于能量的小幅度增加，虽然能扩展接头屈服及塑化的区域，但摩擦压力也在增大（50MPa60MPa），而且起着主导作用，被挤出的焊缝金属量更多，因此焊缝变窄。后者则是热输入量起主导作用，而不是摩擦压力，因此焊缝变宽，由此推断，要获得细窄的焊缝，需进一步提高摩擦压力。这就表明，要获得成形良好且细窄的焊缝，在保证热输入量适中的情况下应采用较大的摩擦压力。图4 焊缝宽度与热输入量关系2.2焊接工艺参数对焊缝金属流动的影响图5为14号试样焊缝中心至振动端热力影响区的微观形貌，其中W表示焊缝区，TMAZ表示热力

16、影响区，BM表示母材，点画线为焊缝中心线。如图5a中带箭头的曲线所示，1号试样母材金属流线垂直焊接面，热力影响区中的母材金属流线则呈现出明显的弯曲变形，加之其较宽的焊缝区及热力影响区可知，在焊接过程中，1号试样焊接面及其附近区域的金属均发生了严重的塑性变形。在图5b中，2号试样的振幅相比1号试样有所减小，其热输入量降低至4.6KW（表3-1），焊缝区及热力影响区变窄，在热力影响区中也未观察到明显的母材金属流线变化，此外，从图中发现，在焊缝区及大部分热力影响区中并未观察到与母材类似的晶粒形态。在图5c中，3号试样摩擦压力高于1号试样，热输入量达到6.5KW（表3-1），发现焊缝区明显变宽，而如图

17、中箭头方向所示，虽然此时母材金属流线平行焊接面，但热力影响区中的母材金属流线仍呈现出一定的倾斜变形。在图5d中，4号试样频率提高，热输入量为6.2KW，焊缝区出现了明显的未焊合缺陷以及白色团聚状缺陷（A缺陷）。1号试样热力影响区母材金属流线变形明显，首先是因为参数的匹配使其热输入量适宜并能维持焊缝温度在较高水平，塑性层金属流动性好；其次由于母材金属流线垂直焊接面，金属的变形抗力小于母材金属流线平行焊接面时。2号试样相比1号试样其余参数不变，只减小振幅，使热输入量降低，接头能够发生塑性变形的区域变窄，因此焊缝区及热力影响区明显变窄；由于母材金属流线平行焊接面，加之振幅减小的同时使振动方向剪切力减

18、小，使塑性金属的流动性相比1号试样略差，这从表4中试样缩短量数据也可看出。试样缩短量也是焊缝金属的挤出量，而挤出量大小在一定程度上反映塑性金属流动性好坏。在相同挤压力条件下，2号试样缩短量略低于1号，正是由于流动性略微变差所致。3号试样相比1号焊缝区域变宽，原因在图4中已解释；而3号试样热力影响区中的母材金属流线变形，则是增大的轴向挤压力作用所致。4号试样相比1号试样，其余参数不变，频率提高，但此频率条件下却匹配了较大的振幅，进一步加剧了结合面热量损失，使焊缝温度下降（表3），金属达不到完全塑性状态，流动性较差，加之摩擦压力相对较小，塑性金属不易相互混合及挤出，因此焊缝中出现了未焊合及白色团聚

19、状缺陷，由此推断，在较大的频率下，应适当提高摩擦压力，采用适中的振幅，以获得成形良好的焊缝。Y振动 方向 X轴向Z厚度 方向 W TMAZ BM W TMAZ BM a）f=35HZ、A=3.5mm、P=50MPa b）f=35HZ、A=3mm、P=50MPaW TMAZ BM W TMAZ BM 未焊合 A缺陷 c）f=35HZ、A=3.5mm、P=60MPa d）f=40HZ、A=3.5mm、P=50MPa图5 不同参数下焊缝微观形貌表4 14号试样缩短量数据试样编号1234缩短量L/mm14.112.618.39.52.3 焊缝缺陷分布与控制图6为线性摩擦焊焊缝缺陷形貌。从图中可见，三组

20、缺陷的共同点均是位于焊缝中心，并沿焊缝分布。不同之处在于，图6a所示焊缝缺陷数量较多，且相互连接成线；图6b所示焊缝缺陷形态，并没有相互连接，而是一段段呈长条状分布，每段长约11.5mm，缺陷数量较图6a中有一定减少；图6c所示焊缝缺陷形态，仅沿焊缝中心线分布于焊缝一侧，也是断续分布且较细窄，缺陷数量最少。缺陷沿焊缝分布，是因为塑性金属在挤压力的作用下，会逐渐流动至焊接面，同时将缺陷也带至焊接面。在随后的焊接过程中，在剪切力、挤压力的共同作用下，这些缺陷与塑性金属一同沿焊接面逐渐向焊缝外流动，如果没有被挤出，则残留在焊缝中心线处。图7给出了图5d中A缺陷高倍组织照片及成分分析结果。从图7a可见

21、，此处缺陷呈粒状，相互团聚在一起，从图7b中的能谱分析结果可知，该缺陷中O含量较多，达到51.29 at.%，推断其为氧化物夹杂，且主要为钛的氧化物。由于图5d中所示的缺陷形貌与图6中各试样焊缝中缺陷形貌相似，大体可推断沿焊缝中心线分布的缺陷主要是氧化物夹杂。2mm 缺陷 Y振动 方向 Z厚度 方向 X轴向 2mm 缺陷 2mm 缺陷 (a)7号 (b)6号 (c)9号 图6 线性摩擦焊试样焊缝缺陷形貌ElementOTiCrAlVAtomic%51.2937.627.441.761.89Totals100 a） 缺陷形态 b）图a中微区能谱分析图7图5选区中缺陷形貌及成分分析根据文献9可知，

22、氧化物的形成原因有两方面，一是焊接前两试件的平行度没有校准，在焊接过程初期，空气进入摩擦面，随温度升高与钛合金发生反应而形成氧化物；二是由于孔洞缺陷中的氧和金属反应发展而来。然而形成的氧化物焊后仍残留在焊缝中，则是由于塑性金属流动不充分所致。表5为图6中焊缝缺陷形态所对应的试样缩短量，从表中并结合图6可见，随试样缩短量的增加，焊缝缺陷数量明显减少，这表明试样缩短量的增加，促进了焊缝金属流动，有助于避免焊缝缺陷，综合表3试样的缩短量数据可知，对于小截面试样，合适的缩短量应不低于12mm。表5 图6中试样对应的试样缩短量试样编号7（图6a）6（图6b）9（图6c）缩短量L/mm8.6210.212

23、.73 结论1. 焊缝宏观形貌分为“X”型、“I”型、“V”型，其形成与摩擦压力及热量出入密切相关。摩擦压力较小时，匹配适中的振幅与频率，焊缝呈“X”型且成形良好；摩擦压力适中时，应匹配适中的振幅及频率以获得成形良好的“X”型焊缝，否则形成带有缺陷的“V”型焊缝；摩擦压力较大时，振幅或频率较大，焊缝则呈“I”型；较大的摩擦压力下，匹配适中的振幅及较小的频率，能使结合面热损失维持在较低水平，焊缝成形良好。2. 在相同条件及一定范围内，振幅减小使焊缝区变窄，同时会降低焊缝塑性金属的流动性；而当摩擦压力增幅小于热输入量增幅时，焊缝区变宽，焊缝金属流动性仍有所提；频率提高时匹配大振幅，虽能引起热输入量

24、升高，但热损失较大，不利于焊缝塑性金属流动。3. 焊缝氧化物缺陷位于焊缝中心，并沿焊缝呈连续的线状或断续的长条状分布。在一定条件下，增大轴向缩短量，有助于避免焊缝缺陷的产生，对于小截面试样，合适的缩短量为12mm。参考文献1 许全周.45钢线性摩擦焊接头温度场数值模拟与实验验证D.西安：西北工业大学，20082 V.Corzo, O.Casals, J.Alcala, et al. Mechanical evaluation of linear friction welds in titanium alloys through indentation experimentsJ. Welding International, 2007. 21(2): 125-1293 张田仓,韦依,周梦慰,等.线性摩擦焊在整体叶盘制造中的应用J.航空制造技术,2004,15(6):56-584 朱瑞峰,白钢,苏利龙,等.线性摩擦焊及其研究应用现状J.热加工工艺,2009,38(9):100-1