焊接參數(shù)對TC4鈦合金線性摩擦焊焊縫成形的影響

邢 麗，朱 蕾，楊劍赟，卜文德

（南昌航空大學輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌330063）

0 引 言

線性摩擦焊（LFW）作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的固態(tài)連接工藝，具有焊接變形小、無污染等特點。與傳統(tǒng)熔化焊相比，其焊縫窄且為鍛造組織，避免了氣孔、裂紋的出現(xiàn)；與其它摩擦焊如旋轉摩擦焊相比，其應用范圍更加廣泛，可用于非圓形截面等不規(guī)則構件的焊接［1-3］。由于這些優(yōu)勢，線性摩擦焊技術在航空航天領域，尤其在發(fā)動機整體葉盤結構的制造中［4-5］具有廣闊的應用前景。盡管線性摩擦焊能獲得高質(zhì)量的接頭，但在焊接過程中，如果工藝參數(shù)選擇不當，也會導致缺陷產(chǎn)生。

近年來，已有不少學者對線性摩擦焊工藝進行了研究。Wanjara等［6］發(fā)現(xiàn)，在頻率為50Hz、振幅為2mm、摩擦壓力為50MPa時，TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的強度超過了母材；Vairis［7］等分析了高頻率對鈦合金線性摩擦焊接頭質(zhì)量的影響，認為高頻率下需要采用較低的摩擦壓力、合適的振幅才能保證熱輸入量適宜，得到較好的接頭；Romero等［8］研究了摩擦壓力對焊縫形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)隨摩擦壓力的增大，焊縫及熱影響區(qū)的寬度均有所下降。以上研究都是針對部分工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響，但關于工藝參數(shù)對焊縫形態(tài)有何影響，焊縫宏觀形貌與缺陷之間的關系還很少有報道。

作者采用正交試驗方法，對TC4鈦合金進行線性摩擦焊試驗，通過對焊縫橫截面宏觀形貌的觀察，分析了摩擦壓力、振幅、頻率等參數(shù)對焊縫成形的影響，獲得了焊接參數(shù)與焊縫成形的關系，并通過調(diào)整焊接參數(shù)獲得成形優(yōu)良的焊縫，避免了焊縫缺陷的產(chǎn)生，對線性摩擦焊的應用提供了參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為退火態(tài)TC4鈦合金厚板，尺寸為45mm×18mm×10mm，其化學成分見表1。在XMH-160型線性摩擦焊機上進行線性摩擦焊，試驗時一個試樣固定，另一個試樣相對固定試樣做線性往復振動，通過摩擦產(chǎn)熱使摩擦界面達到塑化狀態(tài)，最后在摩擦壓力的作用下形成接頭，原理如圖1所示。分別改變頻率、振幅及摩擦壓力觀察參數(shù)變化對焊縫成形的影響，焊接時間為3s。

表1 TC4鈦合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of TC4titanium alloy（mass） %

圖1 線性摩擦焊示意Fig.1 Schematic diagram of linear friction welding

采用表2所示的三因素三水平正交表對TC4鈦合金進行線性摩擦焊試驗，以焊縫成形質(zhì)量（好、一般、差）作為目標響應值，分別對焊縫成形進行評分。焊縫成形好、一般、差分別評價為30，20，10分。

焊后沿平行振動方向，在試樣中部截取金相試樣，如圖2所示，將試樣鑲嵌、打磨并拋光后用Kroll’s試劑（100mL H2O＋2mL HF＋5mL HNO3）腐蝕，觀察焊縫截面的宏觀形貌。正交試驗參數(shù)及結果如表3所示。

表2 正交因素-水平表Tab.2 Orthogonal factor-level table

圖2 金相試樣截取示意Fig.2 Schematic diagram of metallographic specimen interception

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫的宏觀形貌

圖3分別為三種焊縫的宏觀形貌，圖中Z側為振動端，J側為靜止端，點畫線為焊縫中心。由圖3（a）可見，焊縫的中部窄，兩端寬，以焊縫中心線為對稱中心，呈“X”型；此外，從飛邊形貌可看出，塑性金屬是在擠壓力的作用下，由中部被推擠至焊縫兩側的，這種條件下擠壓出的飛邊較大。由圖3（b）可見，焊縫的中部及兩側寬度較為一致，以焊縫中心線為對稱中心，呈“I”型；塑性金屬并不是由中部推擠至兩側，而是類似于摩擦面塑性金屬整體滑移出界面，因此飛邊較為細窄，飛邊的頂端也較尖。由圖3（c）可見，焊縫一端寬、一端窄，以焊縫中心線對稱，呈“V”型；與圖3（a），（b）相比，飛邊形貌明顯不對稱，大量塑性金屬向一側堆積，另一側僅有少量擠出，擠出的塑性金屬在焊縫外也未相互連接。

2.2 目標值極差

圖3 三種焊縫的宏觀形貌Fig.3 Macrograph of three types of weld：（a）“X”type；（b）“I”type and（c）“V”type

表4 焊縫成形評分的極差統(tǒng)計Tab.4 Range statistics of weld formation rating

根據(jù)正交試驗的結果，計算每個因素各個水平下單個目標值的均值，進行極差統(tǒng)計，結果如表4所示。極差最大的列，其對應的因素對焊縫成形的影響最大。所以，因素A即摩擦壓力對焊縫成形的影響最大，然后依次為因素C（頻率）和B（振幅）。優(yōu)化工藝參數(shù)分別為：摩擦壓力60MPa，振幅3.0mm，頻率30Hz或35Hz。

2.3 焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

由圖4（a）可見，隨著摩擦壓力的增大，焊縫成形評分先降低后提高，當摩擦壓力為55MPa時，焊縫成形評分最低。這是因為在線性摩擦焊過程中，兩工件剛接觸時，試樣的粗糙峰會迅速嵌入對方，產(chǎn)生塑性變形；當大部分粗糙峰在軸向壓力作用下消失時，接觸面積急劇增大而產(chǎn)生瞬時高溫，材料發(fā)生塑化，結合面被一層高溫粘塑性金屬覆蓋（塑性層），兩側工件的相對運動發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部，產(chǎn)熱機制由初始的摩擦熱轉變?yōu)樗苄宰冃螣幔M入內(nèi)摩擦階段，軸向載荷提供的摩擦壓力促使塑性金屬流動，其振幅與頻率則維持熱輸入量。因此，當振幅與頻率適中，采用較小的摩擦壓力時，熱輸入量較為適宜，焊縫成形較好；隨著摩擦壓力的增大，焊縫成形變差；當摩擦壓力繼續(xù)增大時，結合面在高能量的作用下，焊縫中部及兩側的金屬幾乎同時達到完全塑性狀態(tài)，在軸向壓力及剪切力的作用下，焊縫金屬同時流動，因此焊縫成形也較好。

由圖4（b）可見，隨著振幅的增大，焊縫成形評分先提高后降低，在振幅為3mm達到最佳。在摩擦壓力和頻率適中的情況下，采用較小的振幅時，結合面塑性金屬的流動距離縮短，氧化物或雜質(zhì)缺陷不易排出，因此焊縫成形較差；當振幅過大時，結合面接觸空氣面積增大，焊縫溫度較低，會形成有缺陷的“V”型焊縫。

由圖4（c）可見，當頻率較小時焊縫成形評分較高，隨著頻率的增加，焊縫成形評分逐漸降低。這是因為在摩擦壓力和振幅適中的情況下，頻率較小時，雖然熱輸入量不高，但熱損失也小，塑性金屬的流動性較好，焊縫成形情況較好；當頻率過大時，結合面與周圍空氣的對流增強，熱量損失較大，焊縫溫度降低，影響焊縫成形。

圖4 焊接參數(shù)對焊縫成形的影響Fig.4 Effect of friction pressure（a），amplitude（b）and frequency（c）on weld formation

3 結 論

（1）對TC4鈦合金進行線性摩擦焊時，焊縫的宏觀形貌分為“X”型、“I”型、“V”型，摩擦壓力對焊縫成形的影響最大，其次為頻率和振幅；在其它條件相同的情況下，振幅減小使焊縫區(qū)變窄，同時會降低焊縫塑性金屬的流動性，焊縫成形較差；當摩擦壓力增幅小于振幅的增幅時，有利于得到成形較好的焊縫；頻率增大時匹配大振幅雖能使熱輸入升高，但熱損失也較大，不利于得到成形良好的焊縫。

（2）要獲得成形良好的焊縫需提高摩擦壓力，在保證熱輸入量適中的情況下應采用較大的摩擦壓力。

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