?摘要:

本文對鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)的線性摩擦焊進行了初步研究，分析了焊接工藝參數對熱輸入和焊接質量的影響，指出了線性摩擦焊飛邊的特點及其形成原因；對典型焊件的顯微組織進行了觀察分析；指出按照焊合界面附近的變形程度可以將其分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。 關鍵詞:鈦合金TC  線性摩擦焊  焊接工藝參數  顯微組織  序言鈦合金作為一種新材料,在航空、航天、電力、汽車和海洋等許多部門得到廣泛應用，其中尤以TC4(Ti-6Al-4V)用途最廣泛。TC4屬于典型的α+β兩相鈦合金，由于其具有較高的比強度、優(yōu)良的綜合機械性能、塑性和沖擊韌性,已經成為制造航空發(fā)動機制造中不可或缺的重要材料。在TC4焊接方面，采用傳統(tǒng)焊接方法容易產生氣孔、氧化等焊接缺陷。線性摩擦焊是20世紀90年代中期興起的一種新型固態(tài)焊接技術，它突破了旋轉式摩擦焊對被焊工件外形軸對稱的限制，大大的擴展了摩擦焊接的應用領域[1]。線性摩擦焊具有自清理、自保護的作用。目前，國內還未見到關于鈦合金TC4線性摩擦焊的報道。本文主要研究探討了在鈦合金TC4線性摩擦焊過程中，有關工藝參數對接頭質量和顯微組織的影響。 1試驗材料采用鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）軋制板材。試樣尺寸為13mm×8mm×45mm的長方體，焊接面(13mm×8mm)為線切割面。試驗采用設備是西北工業(yè)大學自制的線性摩擦焊機。采用的工藝參數為：振動頻率13.6～43Hz，摩擦壓力2.75～3.2 atm(壓力表指示值)，頂鍛力2.8～3.4 atm(壓力表指示值)，摩擦時間10～20s，振幅2mm。金相分析在NEOPHOT-Ⅰ型顯微鏡下進行。     焊后試件沿面Ⅰ、面Ⅱ(如圖1所示)剖開，通過剖面Ⅰ、面Ⅱ可以分別觀察到摩擦橫截面（與試件往復運動方向垂直）和縱截面（與試件往復運動方向平行）這兩個方向上的焊縫形狀。 2 結果分析討論 2.1工藝參數對焊縫質量的影響 通過對焊接過程和接頭質量的觀察分析，可以發(fā)現：

摩擦壓力和往復運動頻率是焊接熱輸入的主要影響因素。當摩擦壓力和往復運動頻率增加時，焊接熱量輸入也隨之顯著增加。

由于材料變形的局部性和不均勻性，壓力過大則會影響試件往復運動的穩(wěn)定性，同時也會增加塑性金屬的流出量，使飛邊增大，因此，不能采用太大的壓力值。在保證運動平穩(wěn)的條件下，提高往復運動的頻率是增加熱輸入和提高焊縫質量最有效的方法。

摩擦時間也是線性摩擦焊接過程中的一個重要參數，但延長摩擦時間不是增加熱量輸入的最有效方法。因為熱傳導、對流及高溫塑性金屬的擠出等因素的存在，使得焊接過程中存在一熱輸入熱輸出的平衡點。在熱平衡之前，增加摩擦時間對增加熱輸入有效，而在熱平衡點之后，增加摩擦時間對熱輸入作用不大。

頂鍛是摩擦焊接的最后一個環(huán)節(jié)，頂鍛力也是影響焊縫成型的重要因素。在摩擦過程中，金屬摩擦副之間形成一層高溫粘塑性層，它是摩擦表面的“粘結”介質[2]，通過頂鍛使金屬摩擦副牢固結合。若頂鍛力過大，使粘結介質大量被擠出，焊接效果反而下降。

2.2 焊縫成型與飛邊的形成

截面上的焊縫成型均勻一致，沒有裂紋和未焊合缺陷。但無論橫截面還是縱截面，其邊緣均有明顯的變形，并產生飛邊,且飛邊大小不同，橫向飛邊比縱向飛邊小。從部分放大的縱向飛邊圖3可以看出，飛邊氧化后呈彩色，并有明顯的橫向條紋。

飛邊的形成主要受摩擦面溫度場和粘塑性應變兩個因素的影響[3]，在摩擦初始階段摩擦表面的微凸體發(fā)生粘著、剪切，產生摩擦熱，表面局部的溫度開始升高；隨著摩擦的進行，摩擦面達到一定溫度時就形成一層高溫塑性金屬[2]。由于溫度場分布不均勻，塑性層厚度不均勻，相對而言，摩擦面內部較厚，而邊緣較薄(邊緣熱散失的緣故)。在摩擦壓力和試件往復運動的作用下，部分塑性金屬被推出摩擦面。在平行試件運動的方向，有類似于機械加工中的“刨削”作用。由于往復運動周期進行，縱向飛邊不斷向前推進，并呈現明顯的橫向條紋。隨著摩擦的繼續(xù)進行，溫度進一步升高，塑性層的厚度也增加，在摩擦壓力的作用下，橫向邊緣的部分塑性金屬則沿橫向被擠出，形成橫向(垂直試件運動方向)飛邊。無論是被縱向擠出的塑性金屬或是被橫向擠出的塑性金屬，由于被擠出摩擦面時溫度較高，而鈦在600℃時可以與氧發(fā)生強烈作用，因而飛邊被氧化變色。

2.3 接頭的微觀組織

完全變形區(qū)的晶粒細小且明顯被拉長，這說明TC4鈦合金在線性摩擦焊接過程中，不僅有塑性流動的過程，而且存在動態(tài)恢復和再結晶的過程。

部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動趨勢，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細??；未變形區(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動的趨勢。在部分變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。

由于TC4鈦合金熱傳導率較低，室溫下的熱傳導率約為7W/m·k，即使在1000℃下其熱傳導率也只有20 W/m·k。因此，部分變形區(qū)的溫度較低，這

造成該區(qū)塑性變形的難度增大；又由于TC4鈦合金的屈服應力在低溫下較高而在800℃以上迅速降低，從而該區(qū)和未變形區(qū)之間產生了明顯界線。

3結論

(1)利用線性摩擦焊方法成功地實現了鈦合金TC4的焊接,獲得了高質量的焊接接頭。

(2)在線性摩擦過程中，摩擦壓力、振動頻率、摩擦時間和頂鍛壓力對焊接質量均有重要影響；在一定的范圍內,提高振動頻率是增加熱量輸入和提高接頭質量的有效途徑。

(3)線性摩擦焊的飛邊獨特。由于往復運動、正壓力和摩擦力的共同作用，使縱向飛邊和橫向飛邊上均呈現有清晰的橫向條紋。

(4)鈦合金TC4線性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的變形，按照其變形程度，可以分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。完全變形區(qū)微觀組織細小致密，有明顯的塑性流動趨勢。部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動趨勢，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細?。晃醋冃螀^(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動的趨勢。在部分變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。