TC4鈦合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能研究.pdf

1、鈦及其合金具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性，在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。用傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)對(duì)其焊接時(shí)，焊件變形大，易產(chǎn)生氣孔或夾雜、組織粗化等缺陷，因此，固相連接技術(shù)更適用于鈦合金的連接。本課題對(duì)2mm厚TC4鈦合金板材進(jìn)行了攪拌摩擦焊接，分析了工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，確定了最佳焊接工藝參數(shù)，深入研究了接頭各區(qū)域的組織特征與接頭的力學(xué)性能。
　　研究結(jié)果表明：軸肩壓入量、攪拌頭傾斜角度和旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形具有直接影

2、響，當(dāng)工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，容易產(chǎn)生表面溝槽、孔洞等缺陷。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為475r/min、焊接速度為23.5mm/min、傾斜角度為3°時(shí)，可獲得表面成形良好、無缺陷的焊縫。
　　接頭形貌呈典型“碗”狀結(jié)構(gòu)，可劃分為軸肩變形區(qū)、攪拌區(qū)和熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域，未觀察到熱機(jī)械影響區(qū)；攪拌區(qū)與熱影響區(qū)之間的分界線在前進(jìn)側(cè)比較明顯，而在返回側(cè)較為模糊，攪拌區(qū)底部存在條帶狀結(jié)構(gòu)。在焊縫的厚度方向上存在溫度梯度，靠近焊縫表面的軸肩變形區(qū)的峰值溫

3、度超過了β相變溫度，在冷卻過程中發(fā)生β→α+β轉(zhuǎn)變，形成了α+β片層結(jié)構(gòu)組織；而攪拌區(qū)的溫度低于β相變溫度，其組織與母材組織相同，即等軸初生α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪啵瑪嚢鑵^(qū)的晶粒比母材要細(xì)小。
　　當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為475r/min、焊接速度為23.5mm/min時(shí)，接頭平均抗拉強(qiáng)度為940.5MPa，達(dá)到母材的92％以上；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度有所降低，并在接頭斷口形貌中觀察到球狀化氧化物。接頭顯微硬度呈現(xiàn)各層異性，上部的

4、硬度最高，中部和根部的硬度差別不大；焊縫前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)的硬度也存在差異性，主要與兩側(cè)金屬的塑性流動(dòng)的狀態(tài)有關(guān)；攪拌頭磨損脫落的碎片造成攪拌區(qū)出現(xiàn)硬度值異常偏高的現(xiàn)象。
　　真空退火熱處理后，TC4鈦合金發(fā)生了一定程度的軟化，顯微硬度和抗拉強(qiáng)度均有所下降，其FSW接頭形貌也有所變化，并觀察到S曲線。FSW接頭強(qiáng)度均低于1000MPa，最高抗拉強(qiáng)度達(dá)998.2MPa，達(dá)同狀態(tài)母材的90%以上；在焊縫前進(jìn)側(cè)根部攪拌區(qū)與熱影響區(qū)的交界處存