預摩擦堆焊鋁層輔助鈦-鋁攪拌摩擦搭接及界面行為分析.pdf

1、由于鈦合金及鋁合金均具有質輕、比強度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點，而被廣泛應用于航空航天，軍事工業(yè)，公共交通等領域，鋁/鈦異種金屬復合結構的連接問題逐漸成為國內外的研究熱點。攪拌摩擦焊作為一種新型的固相焊接方法，對克服異種材料性能差異帶來的焊接困難具有極大的優(yōu)勢。由于物理、化學性質差異較大，鈦/鋁攪拌摩擦焊難度大，存在攪拌頭磨損、接頭性能較差等問題。本文創(chuàng)新性地提出摩擦堆焊輔助攪拌摩擦搭接（FS+FSW）實現(xiàn)鈦/鋁復合固相連接技術。研究了以鋁

2、合金作預堆層輔助實現(xiàn)3mm厚2A12鋁合金板與4mm厚TC4鈦合金板之間連接的FS+FSW技術。研究了工藝參數(shù)對FS+FSW接頭的微觀形貌和力學性能的影響規(guī)律，分析了FS+FSW接頭的界面行為，并闡明了Ti/Al之間的連接機制。
　　進行了Ti/Al異種金屬的摩擦堆焊試驗研究，影響Ti/Al摩擦堆焊成形的因素有鈦合金基板表面毛化狀態(tài)、軸向壓力、焊接度速、旋轉速度等，而能得到較好成形的參數(shù)范圍是：軸向壓力為3KN左右，焊接速度為1-

3、4mm/s，旋轉速度為1800r/min左右。機械毛化處理鈦合金表面可以獲得厚度為0.1-0.5mm的堆焊層，其過程為：通過摩擦產熱的逐漸積累使溫度升高，粘塑性的鋁在軸向壓力作用下將基板表面的凹坑填滿，形成冶金和機械嚙合的結合形式。
　　對下部凸起且端面呈內凹形態(tài)的新型攪拌針作用下的FS+FSW接頭形貌及材料流動進行了分析。FS+FSW接頭可分為上焊核區(qū)（UWNZ）、下焊核區(qū)（DWNZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）

4、和鈦-鋁界面區(qū)（IZ）五個部分，焊核區(qū)材料的流動行為在新型攪拌針作用下變得更加復雜，可綜合抽吸-擠壓理論與現(xiàn)有經典流動理論進行解釋。焊核區(qū)兩側出現(xiàn)界面遷移現(xiàn)象，對接頭性能有重要影響，界面遷移的程度隨焊接熱輸入的增加而減小。
　　對FS+FSW接頭的力學性能進行了分析。在大幅提高接頭承載能力的同時，實現(xiàn)了攪拌針的零磨損。在轉速為1000r/min、焊速為50mm/min、下壓量為0.2mm時，得到接頭抗拉剪力為12.2KN（試樣寬度

5、為20mm），這也是截止目前所有文獻中，承載能力最高的鈦/鋁異種金屬接頭。
　　對鈦/鋁FS+FSW接頭的界面行為進行了分析，發(fā)現(xiàn)在Al-Al搭接界面的后退側主要以冶金結合為主，而在前進側則存在冶金結合與機械嚙合共同作用。強形變作用使界面兩側的Ti、Al原子處于激活狀態(tài)，在界面處活化的Ti原子與Al原子形成薄層TiAl3金屬間化合物的同時，鋁板中的Al原子與TC4中的Al原子在界面處形成Al-Al金屬鍵。通過對FS接頭和FS+FS