席錦會， 葛鵬， 侯鵬

(西部金屬材料股份有限公司，西安 710201)

0 前言

TC4，Ti6246等鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天、船舶等領域。目前，鈦合金復雜管件、超薄管件、超大管件及盲孔管、變徑管等采用整體制備工藝生產(chǎn)時，由于構件結(jié)構復雜，材料熱加工性差，因此，存在整體加工難度大、材料利用率低、生產(chǎn)效率低、成本高等缺點。如采用分體制備，再采用摩擦焊接的方式制備鈦合金盲孔管可提高生產(chǎn)效率、提高成材率、降低成本。

眾所周知，常規(guī)的焊接方法，如氬弧焊、電子束焊接、等離子弧焊接等均為熔化焊，即焊接時焊合區(qū)處于熔融狀態(tài)，因此，焊合區(qū)的組織粗大、焊合區(qū)易氧化、易出現(xiàn)縮孔、夾雜等缺陷[1]，而且常規(guī)的焊接方法還受焊接件材料、厚度及焊接結(jié)構的限制，操作麻煩，效率低[2-3]。因此選擇一種合適鈦合金的焊接方法是制備鈦合金結(jié)構件的關鍵[4-5]。在眾多的焊接方法中，摩擦焊是一種固態(tài)連接方法，憑借其優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、節(jié)能的工藝特點在高技術領域得到廣泛應用[6-9]。

該研究先采用同材質(zhì)的Ti6246，TA2管材進行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接試驗，摸索焊接工藝參數(shù)對焊接接頭組織、性能的影響。在此基礎上采用摩擦焊接制備TC4鈦合金盲孔管，為批量化制備鈦合金構件提供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 原料準備

該研究選用3種不同類型的鈦合金進行試驗，分別是原始組織為兩相區(qū)組織的Ti6246兩相鈦合金管材、原始組織為等軸組織的α型TA2純鈦管及原始組織為魏氏體組織的TC4鈦合金棒材和管材。Ti6246鈦合金管材是通過擠壓制備的，規(guī)格為φ72 mm×10 mm；TA2純鈦管材是在相變點以下擠壓制備的，規(guī)格為φ80 mm×10 mm；TC4鈦合金棒材是在β相區(qū)鍛造得到的，規(guī)格為φ120 mm；TC4管材是在β相區(qū)擠壓+β相區(qū)熱軋制備的，規(guī)格為φ80 mm×10 mm。以上材料均為R態(tài)。

1.2 管件摩擦焊接

Ti6246鈦合金管材及TA2純鈦管材分別準備4段，分為2組進行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接試驗，在此基礎上將TC4棒材和TC4管材焊接在一起。

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接的工藝參數(shù)有：摩擦壓力、頂鍛壓力、摩擦時間、縮短量。工藝參數(shù)的設計對焊接質(zhì)量有很大的影響，根據(jù)金屬材料在不同溫度下的變形抗力和摩擦對焊的截面積，進行摩擦焊接工藝參數(shù)的設定。Ti6246鈦合金、TA2純鈦管材及TC4鈦合金棒材和管材的摩擦焊接設定工藝參數(shù)見表1。

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接用設備，主要由主體設備、控制系統(tǒng)、操作臺3部分組成。焊接前，將要焊接的兩段管材中的一件夾持于連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機的旋轉(zhuǎn)夾具，另一件夾持于移動夾具；在控制系統(tǒng)中輸入摩擦焊接的工藝參數(shù)，啟動摩擦焊接設備開始進行。

1.3 管件摩擦焊接后熱處理及性能測試

對焊后Ti6246鈦合金管材進行860 ℃×1 h，AC+580 ℃×1 h，AC熱處理，對焊接后的TA2純鈦管材進行進行600 ℃×1 h真空熱處理，對TC4鈦合金盲孔管材進行800 ℃×1 h真空熱處理。然后機械加工去除飛邊，并在管件的母材及焊接接頭處分別取樣，進行組織和性能測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 實際焊接工藝參數(shù)分析

實際焊接工藝參數(shù)見表2。從表2可見，焊接后1號、2號 Ti6246鈦合金管材實際縮短量分別為13.6 mm和14.7 mm。3號、4號 TA2純鈦管材實際的縮短量分別為8.6 mm和8.9 mm。5號TC4盲孔管焊接后實際縮短量為14.6 mm。從此可見，實際總縮短量與設定總縮短量之差均≤0.5 mm，由此可見，摩擦焊后工件的尺寸精度很高。另外，對比1號、2號Ti6246鈦合金管材及3號、4號TA2純鈦管材的摩擦壓力和總的摩擦時間可見，當摩擦壓力減少時，摩擦時間延長，說明當摩擦力減少時，要使焊接結(jié)合面處的金屬達到熱塑性狀態(tài)，必須通過延長摩擦時間來實現(xiàn)。

表2 摩擦焊接實際參數(shù)

2.2 Ti6246管焊接接頭形貌及焊合區(qū)組織和性能

圖1為Ti6246鈦合金管材焊接接頭形貌。金屬飛邊主要在穩(wěn)定摩擦階段擠出形成，焊接擠出的飛邊朝焊合區(qū)兩側(cè)卷曲。從照片中可見，Ti6246鈦合金管材焊合區(qū)飛邊完整、飽滿、圓滑，1號與2號的飛邊形貌差異不大。由于Ti6246鈦合金管材的變形抗力大，因此焊接時設定的摩擦壓力和頂鍛壓力大，摩擦時間長，形成的飛邊飽滿、圓滑。

1號和2號管材焊接接頭微觀組織分別如圖2、圖3所示。從圖2可見1號管材焊接接頭的焊合區(qū)寬度約為700～800 μm，熱力影響區(qū)的組織與基體組織類型相似，不同之處在于：熱力影響區(qū)由于在摩擦中受到周向摩擦力的作用而使晶粒取向發(fā)生變化，但焊合區(qū)的組織中可見較粗大的β晶粒。圖3中2號管材焊接接頭的焊合區(qū)寬度約為600～700 μm，焊合區(qū)的組織中隱約可見β晶界。從焊合區(qū)組織可見，Ti6246鈦合金摩擦焊接時，由于摩擦壓力、頂鍛壓力偏大、摩擦時間偏長，導致焊結(jié)接頭處溫度偏度，且高于相變點，尤其是1號管材的焊結(jié)接頭處溫度更高，焊合區(qū)寬度比2號更寬，焊合區(qū)β晶界更明顯。

圖1 Ti6246鈦合金管材摩擦焊接接頭形貌

圖2 1號管材焊接接頭微觀組織

圖3 2號管材焊接接頭微觀組織

表3是Ti6246鈦合金管材焊接接頭性能?？煽闯觯附咏宇^的強度與母材相當甚至略高于母材，但是塑性和沖擊韌性低于母材。比較1號與2號焊接接頭的性能，1號與2號焊接接頭的強度相當，但1號焊接接頭的塑性和沖擊韌性比2號要略差，這正好可由基體、1號與2號焊合區(qū)組織進行解釋。

表3 Ti6246鈦合金管材焊接接頭性能

2.3 TA2管焊接接頭形貌及焊合區(qū)組織和性能

TA2純鈦管材焊接后接頭宏觀形貌如圖4所示。純鈦的變形抗力比Ti6246鈦合金小，因此焊接時設定的摩擦壓力和頂鍛壓力小，摩擦時間短，焊接后形成的飛邊也比較薄，且飛邊表面粗糙，擠出的金屬不足以在焊合區(qū)一周均勻分布。圖4a和圖4b中由于摩擦焊接參數(shù)不同，摩擦焊接頭宏觀形貌也略有所不同。3號與4號管材焊接的摩擦壓力壓力稍大，因此，頂鍛后擠出的飛邊稍厚一些。

3號TA2純鈦管摩擦焊接接頭微觀組織如圖5所示。從焊合區(qū)組織可見，摩擦焊后TA2管材的微觀焊合區(qū)很窄，只有約500 μm。另外，比較焊合區(qū)組織與母材組織可以發(fā)現(xiàn)焊合區(qū)組織不是粗大的魏氏體組織，而是與母材一樣的等軸組織，且晶粒比母材還細。這是因為在摩擦焊的整個過程中，焊接表面在固相狀態(tài)下，始終受軸向力的鐓鍛作用，具有進行一步細化晶粒的作用。另外，由于利用焊接表面的相互摩擦作為熱源，整個表面同時被加熱，焊接時間極短，熱影響區(qū)小，晶粒來不及長大。工件在焊接壓力作用下界面處于封閉狀態(tài)，外界氣體無法進入界面區(qū)，同時焊接界面上的熱塑性金屬及金屬氧化物被擠出，所以即使摩擦焊接時沒有氬氣保護，最終焊合區(qū)處也不會氧化，可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。

圖4 TA2管材焊接接頭形貌

圖5 3號TA2管材焊接接頭微觀組織及原始組織

表4為 TA2純鈦管摩擦焊后焊接接頭力學性能，從表中數(shù)據(jù)可見，兩種焊接工藝條件得到的焊接接頭的室溫強度與純鈦管材母材的強度幾乎完全相同，塑性及韌性相比母材略有下降。拉伸試樣均斷于母材位置。雖然TA2管材在焊接過程中未進行氬氣保護，但其性能仍能與母材保持同一水平，甚至略高。說明連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接TA2鈦管，焊縫的質(zhì)量非常高，焊接系數(shù)可到0.99以上。

表4 TA2純鈦管摩擦焊后焊接接頭力學性能

2.4 TC4鈦合金盲孔管

TC4鈦合金盲孔管材焊接后接頭形貌如圖6所示。由于構成盲孔管的兩部分外徑不同，因此，摩擦焊接后形成的飛邊不對稱，外徑大的一端飛邊呈隆起的環(huán)形，厚而窄，但與Ti6246鈦合金管材的飛邊相比，要薄。外徑小的一端，飛邊薄而寬，平鋪于管材表面。

圖6 TC4鈦合金盲孔管摩擦焊接接頭形貌

圖7a和圖7b分別是TC4盲孔管分體1棒材和分體2管材的原始微觀組織。從圖7可見，棒材和管材母體均為魏氏體組織，組織中可見β晶界和晶內(nèi)粗大的α片。圖8是TC4盲孔管焊接接頭的微觀組織。從圖8 TC4盲孔管焊接接頭的微觀組織可見，摩擦焊后TC4盲孔管的微觀焊縫及熱影響區(qū)寬度約800～850 μm。熱影響區(qū)及焊合區(qū)處的組織為近似的網(wǎng)籃組織，焊合區(qū)組織中的α片比熱影響區(qū)更細小。這是因為在摩擦焊接時受到周向的摩擦力和軸向的頂鍛力，原始的魏氏體組織中的β晶界及晶內(nèi)的粗α片得到有效破碎，并在高溫下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而得到了較細小的α片。

圖7 TC4棒材及管材微觀組織

圖8 TC4鈦合金盲孔管摩擦焊接接頭微觀組織

焊接接頭力學性能見表5，從表中數(shù)據(jù)可見，TC4棒材及管材焊接后，接頭的抗拉強度比母材低約60 MPa，但塑性和沖擊韌性卻優(yōu)于母材。這可由焊合區(qū)組織得到解釋。

表5 TC4鈦合金管件摩擦焊接后焊縫力學性能

3 結(jié)論

(1)通過對Ti6246鈦合金管及TA2純鈦管摩擦焊后的形貌及性能、組織的分析發(fā)現(xiàn)，在該研究試驗的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊接工藝參數(shù)對焊接接頭的性能影響很小。

(2)Ti6246及TA2管材的摩擦焊接系數(shù)可達0.99。

(3)在該研究試驗的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，摩擦焊接可以破碎焊合區(qū)組織，使焊合區(qū)組織明顯比母材細小。

(4)采用摩擦焊接的方法制備了TC4鈦合金盲孔管材，摩擦焊接后TC4盲孔管焊合區(qū)的組織類型發(fā)生改變，從魏氏體組織變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，抗拉強度降低60 MPa，但焊接系數(shù)仍可達0.94，塑性和韌性優(yōu)于母材。

(5)連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接可實現(xiàn)超長管材的制備，也可實現(xiàn)盲孔管等復雜結(jié)構管件的制備，能夠提高生產(chǎn)效率和成材率，降低成本。