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)中得到了廣泛應用。用傳統(tǒng)的熔焊技術對其焊接時，焊件變形大，易產生氣孔或夾雜、組織粗化等缺陷，因此，固相連接技術更適用于鈦合金的連接。本課題對2mm厚TC4鈦合金板材進行了攪拌摩擦焊接，分析了工藝參數對焊縫成形的影響，確定了最佳焊接工藝參數，深入研究了接頭各區(qū)域的組織特征與接頭的力學性能。
　　研究結果表明：軸肩壓入量、攪拌頭傾斜角度和旋轉速度等工藝參數對焊縫成形具有直接影

2、響，當工藝參數選擇不當時，容易產生表面溝槽、孔洞等缺陷。當攪拌頭旋轉速度為475r/min、焊接速度為23.5mm/min、傾斜角度為3°時，可獲得表面成形良好、無缺陷的焊縫。
　　接頭形貌呈典型“碗”狀結構，可劃分為軸肩變形區(qū)、攪拌區(qū)和熱影響區(qū)三個區(qū)域，未觀察到熱機械影響區(qū)；攪拌區(qū)與熱影響區(qū)之間的分界線在前進側比較明顯，而在返回側較為模糊，攪拌區(qū)底部存在條帶狀結構。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轉變，形成了α+β片層結構組織；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相和轉變β相，攪拌區(qū)的晶粒比母材要細小。
　　當旋轉速度為475r/min、焊接速度為23.5mm/min時，接頭平均抗拉強度為940.5MPa，達到母材的92％以上；當旋轉速度為600r/min時，接頭抗拉強度有所降低，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；焊縫前進側與返回側的硬度也存在差異性，主要與兩側金屬的塑性流動的狀態(tài)有關；攪拌頭磨損脫落的碎片造成攪拌區(qū)出現硬度值異常偏高的現象。
　　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接頭強度均低于1000MPa，最高抗拉強度達998.2MPa，達同狀態(tài)母材的90%以上；在焊縫前進側根部攪拌區(qū)與熱影響區(qū)的交界處存