本文采用搅拌摩擦焊工艺对广泛应用于航空航天领域的TC4钛合金进行焊接。设计了钛合金搅拌摩擦焊气体保护装置，确定了合适的搅拌摩擦焊工艺参数。分析了焊缝的成形特征、显微组织特征和力学性能。结果表明，当转速为475rpm，焊接速度为23.5mm/min，搅拌头倾角为3时，可以获得成形良好的焊缝。搅拌头在焊接过程中磨损严重。引言钛合金具有密度低、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀等优异性能，被誉为“太空金属”和“海洋金属”。广泛应用于航空航天、造船、石油、化工等领域，是航空发动机风扇、压气机盘、叶片等重要部件的首选材料[1]。采用常规熔焊方法焊接钛合金时，容易出现焊件变形大、接头残余内应力大、组织粗化、焊缝疏松等缺陷，导致接头塑性和韧性下降。因此，钛及其合金的焊接应采用固相连接技术。搅拌摩擦焊(FSW)是美国焊接学会(TWI)于1991年发明的一种新型固态焊接技术，已成功应用于航空航天、车辆、造船等行业。在FSW过程中，工件不熔化，不存在熔焊缺陷，焊缝为致密的锻造组织，实现了熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000和2000系铝合金的高质量连接[2-4]。该技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接，近年来又转移到钢、镍基合金、钛合金等高熔点材料[5，6]。在高熔点物料的FSW过程中，搅拌头会经历更高的温度，克服更大的阻力，这就要求搅拌头在高温下具有良好的综合性能。采用镍基高温合金搅拌头和自制的气体保护装置对TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊(FSW)，并对TC4钛合金的FSW工艺进行了研究。2试验方法试验中选择TC4钛合金板，轧制并退火。样品尺寸为232mm75mm2mm，其主要化学成分见附表。试验在X53K立式铣床改造的搅拌摩擦焊设备上进行。实验中使用了两种搅拌头。其材料为定向凝固镍基高温合金，具有良好的中高温综合性能和优异的热疲劳性能。搅拌针的形状分别为光滑的圆柱形和圆锥形，搅拌头的尺寸如图1所示。焊接前，应机械去除结合面的氧化膜，并在光滑处理后，用丙酮清洗去除油污。在焊接过程中，氩气用于动态保护。图2显示了钛合金FSW气体保护装置。接下来氩气从压板和底板的进气口流入，经过导向槽后分别流向待焊接工件的正面和背面，从而同时保护工件的背面和正面。焊接前，预先通入氩气。由于氩气的密度高于空气(Ar=1.784kg/m3， air=1.293kg/m3)，在有机玻璃罩的隔离下，通入的氩气沉降下来后将工件与空气隔离，在工件附近形成氩气保护气氛，避免了焊接时工件的氧化。焊后用线切割沿焊缝横向取金相试样，打磨抛光后用克罗尔试剂侵蚀；用XJP-2C金相显微镜观察显微组织。用HVS-1000显微硬度计测量焊接接头的显微硬度。试验力为2.942N，加载时间为10s。3测试结果和分析3.1焊缝形貌图3显示了用I型搅拌头通过FSW获得的焊缝形貌。从图中可以看出，焊缝表面有氧化现象。氧化后为淡黄色，有少量深蓝色。这主要是有关
TC4钛合金FSW接头的横截面形貌为典型的“碗”状结构，表层为肩部摩擦区(约0.5mm厚)，中间为搅拌针作用区，如图3(b)所示；钛合金和铝合金的FSW接头形貌不同。肩部对焊缝两侧的底部金属影响很小，两侧的底部金属仍然是母材结构。当热量输入足够时，搅拌头的肩部尺寸应适当减小。3.2显微组织分析图4显示了TC4钛合金FSW接头的显微组织。在光学显微镜(OM)下，白色区域和灰色区域分别代表母材显微组织的初生相和转化相。图4(b)示出了肩部摩擦区的结构。与基材相比，其灰色区域明显减少。由于钛合金导热系数低，肩部摩擦产生的热量不易沿材料厚度方向散失，使得肩部摩擦区长时间处于高温状态。在力和热的作用下，肩部摩擦区的组织发生相变。在接头的显微组织中没有观察到热机影响区(TMAZ)，但在搅拌区(SZ)和热影响区(HAZ)之间有一条明显的过渡线(LB)，两侧的显微组织变化非常明显，如图4(c)所示。Nextpage3.3焊缝成形分析3.3.1压入量压入量对金属流动影响很大。图5显示了不同压入量的焊缝表面形貌。当压入量不足时，轴肩与工件之间无法形成封闭空间，塑化金属在压力作用下从间隙中“溢出”。因为没有足够的金属补充，焊缝表面出现坡口缺陷；当压入量过大时，塑化金属在压力下“溢出”并积聚在返回侧，增加了返回侧的飞边量，如图5(b)所示。3.3.2搅拌头的倾斜角度图6显示了不同倾斜角度下的焊缝表面形貌。从图中可以看出，随着倾角的增大，焊缝表面塑化金属的覆盖面积不断增大。当倾角增大到3时，焊缝表面质量较好，成形稳定。
。改变搅拌头的倾斜角度能产生不同的流动形态，在一定范围内随着倾角的增大，上层金属流动范围也将增大。搅拌头的倾斜角度较小时，搅拌头轴肩前端的金属易向上挤出，转化成飞边，减少了轴肩凹槽内部的塑化金属量，从而影响了焊缝的成形。nextpage
3.4 硬度测试
图7为焊接接头的显微硬度。从中可以看出，接头各区域的显微硬度差别不大，搅拌区的硬度值略高，返回侧的硬度比前进侧略为稳定。
分析认为，搅拌区在热和搅拌力的双重作用下发生了β相变，产生了细小的二次β晶粒，而二次β晶粒的大小对α+β双相结构材料的机械性能起主导作用，从而使搅拌区的硬度略高一些；与前进侧相比，返回侧的硬度值趋于稳定，这与塑化金属在两侧的顺序填充有关，返回侧先于前进侧填充，而造成两侧焊缝金属的致密度略微不同。
图8为不同旋转速度下接头的显微硬度，随着旋转速度的提高，二次β晶粒的尺寸不断增大，使得搅拌区的硬度略有下降。
3.5 搅拌头的磨损
图9所示为搅拌头的磨损情况，从图中可以看出搅拌头在FSW过程中发生了剧烈的磨损，使搅拌头的原始形貌逐渐消失。摩擦产生的热量沿工件厚度方向存在不均匀性，表面温度比底部高得多，搅拌针受到材料流动的阻力相对较大，导致搅拌针的磨损量比轴肩大，如图9（b）所示。在焊接400mm之后搅拌头的磨损比较严重，需再次加工后才能满足使用要求。
此外，由于搅拌头长时间处于高温状态，当下压量过大时，搅拌易发生变形而失效，如图9（d）箭头方向所示，失效后搅拌针的直径大于原始尺寸，轴肩部分也发生了严重的磨损。
4 结束语
4.1 用镍基高温合金材料制作的搅拌头在焊接过程中的磨损较为严重，搅拌头在焊接约400mm之后因磨损比较严重而失效。
4.2 当旋转速度为475rpm、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾角为3°时，可获得表面成形良好的焊缝。
4.3 对焊接接头显微硬度的测试结果表明，搅拌区相对其它区域的硬度值要高一些，主要与二次β晶粒的形成有关。
致谢：本论文获得了轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室开放基金（gf200901001）的资助。
