季亞娟，李贊，陶軍，金俊龍

(1.中國航空制造技術(shù)研究院,航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024；2. 北京市摩擦焊接工藝與裝備工程中心，北京 100024)

0 前言

線性摩擦焊接技術(shù)是一種固相焊接技術(shù)，焊前不需要進(jìn)行酸洗，焊接過程無煙塵、飛濺，不需要填充材料和氣體保護(hù)，焊接過程可以實現(xiàn)自動化，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，焊縫缺陷少，可以實現(xiàn)多種截面形式和多種材料的焊接。已成為航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造和修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)一步用于飛機(jī)構(gòu)件的連接，在航空制造業(yè)受到了廣泛的青睞[1-8]。目前待連接的零件焊接截面主要采用磨制或者精銑的方式，使焊前零件焊接截面粗糙度到達(dá)1.6 μm，為了進(jìn)一步拓展線性摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域并降低零件的加工成本，文中針對飛機(jī)構(gòu)件常用的TC4鈦合金，開展其焊前試樣狀態(tài)對接頭成形及組織性能的影響開展研究，分別研究了線切割表面、粗銑表面以及磨制表面三種狀態(tài)對接頭成形的影響，后續(xù)飛機(jī)構(gòu)件低成本、短周期制造奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料和過程

研究選用飛機(jī)構(gòu)件常用的TC4鈦合金為研究材料，TC4鈦合金是一種典型的α-β型兩相鈦合金，它含有6%α穩(wěn)定元素鋁和4%β穩(wěn)定元素釩，其成分見表1。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得最廣泛的應(yīng)用。它的長時間工作溫度可達(dá)400 ℃，用于制造發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤與葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭盒隔框等重要承力構(gòu)件。具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用[9]。

線性摩擦焊試樣尺寸：130 mm×75 mm×20 mm，其中焊接面積為75 mm×20 mm。選用經(jīng)過優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)對線切割、粗銑、磨制的三種焊前狀態(tài)的試件進(jìn)行焊接，焊接后觀察接頭成形情況，去除接頭飛邊，對接頭進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，并截取金相試樣進(jìn)行接頭組織觀察和硬度測試，截取拉伸和疲勞性能試樣毛坯，按標(biāo)準(zhǔn)加工成力學(xué)性能試樣，進(jìn)行拉伸和疲勞性能測試。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭外觀形貌

焊前三種表面狀態(tài)的試件如圖1所示，焊前磨制表面的粗糙度Ra約為0.8，粗銑表面，最高和最低刀紋的波紋差有0.2 mm，線切割表面的粗糙度Ra約為3.2。焊接過程中，粗銑表面在摩擦初始時，有少量火花，分析原因是由于表面凸凹不平導(dǎo)致先摩擦產(chǎn)生的金屬脫落造成，擠出的初始飛邊有分層現(xiàn)象。而初始為線切割表面的試樣，初始的飛邊呈分叉擠出，在摩擦后期飛邊合攏。從最終的接頭成形可以看出，利用線性摩擦焊可以實現(xiàn)三種焊前狀態(tài)TC4鈦合金試件的焊接，且接頭成形良好，飛邊顏色呈現(xiàn)鐵銹色，如圖2所示。

圖1 焊前試件表面狀態(tài)

圖2 接頭外觀形貌

2.2 接頭組織

2.2.1接頭宏觀組織

圖3為三種焊前表面狀態(tài)TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的宏觀組織形貌，從圖中可以看出，三種狀態(tài)的接頭均明顯分為三個區(qū)域：母材區(qū)(BM)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、焊合區(qū)(WZ)。其中焊合區(qū)及熱力影響區(qū)顏色較母材的深。焊縫邊緣處寬度較焊縫中心寬，這與焊接過程焊縫熱量分布有關(guān)。

圖3 接頭宏觀組織

2.2.2接頭微觀組織

2.2.2.1母材組織

TC4鈦合金母材的組織為雙態(tài)組織，圖4初生的等軸α相分布在β轉(zhuǎn)變組織上，其中初生等軸α相的比例約為40%，尺寸大部分處于5～15 μm區(qū)間。

圖4 母材組織

2.2.2.2熱力影響區(qū)組織

三種狀態(tài)接頭熱力影響區(qū)均與母材組織相似，即由初生α相及β轉(zhuǎn)變組織組成，但該區(qū)域初生α相和β轉(zhuǎn)變組織沿著受力方向被拉長。這與摩擦焊過程熱和力的作用相關(guān)，組織只發(fā)生了沿著受力方向拉伸而未發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變，表明該區(qū)域焊接過程的溫度沒有超過TC4鈦合金的相變溫度，如圖5所示。

2.2.2.3焊合區(qū)組織

三種焊前狀態(tài)接頭焊合區(qū)組織如圖6所示，從圖中可以看出，三種焊前狀態(tài)試件通過線性摩擦焊連接后均形成了致密無缺陷的接頭，即焊前表面狀態(tài)對接頭成形影響不大。這是由于對于三種狀態(tài)接頭，主要區(qū)別是表面粗糙度及清潔情況不同，而線性摩擦焊的焊接過程是先局部凸點接觸、摩擦生熱、塑化，并且隨著凸點消除發(fā)生接觸、摩擦、塑化的區(qū)域不斷擴(kuò)大直至整個界面均塑化然后擠出飛邊形成接頭，三種表面的區(qū)別在于初始凸點接觸的面積不同，在摩擦焊條件的壓力和溫度，三種接頭原始母材粗大的β晶粒發(fā)生變形、破碎發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，并在摩擦的往復(fù)運(yùn)動中不斷的變形、形核，焊接停止冷卻過程，再結(jié)晶晶粒長大，析出α相，形成了等軸晶粒組織，晶粒內(nèi)部為細(xì)小的α+β片層。焊合區(qū)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變表明焊接過程三種焊前狀態(tài)接頭的溫度均超過了TC17鈦合金的β相變溫度，因此，焊合區(qū)的組織形態(tài)完全不同于原始母材。

圖5 熱力影響區(qū)

圖6 焊合區(qū)

2.3 接頭元素測試及分析

為了研究三種焊前狀態(tài)尤其是線切割焊前表面在經(jīng)過線性摩擦焊后，是否會增加焊縫的氫氧含量，因此，對焊接截面采用線掃描的方式并對焊縫中O元素的含量進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖7～圖9所示，從圖中可以看出，三種狀態(tài)接頭含氧量基本無區(qū)別，這與線性摩擦焊過程的自清理作用有關(guān)，即線性摩擦焊往復(fù)運(yùn)動過程中，焊接試件原始表面首先塑化并擠出形成飛邊，在飛邊不斷擠出過程中實現(xiàn)焊縫的自清理。

圖7 粗銑狀態(tài)焊接界面O元素濃度分布

圖8 線切割狀態(tài)焊接界面O元素濃度分布

圖9 磨制狀態(tài)焊接界面O元素濃度分布

2.4 性能測試及分析

2.4.1接頭拉伸性能測試及分析

對焊后的焊接接頭進(jìn)行取樣加工，按照國標(biāo)進(jìn)行拉伸試樣加工，按照國標(biāo)要求進(jìn)行室溫拉伸性能測試。拉伸后的試樣均斷在母材，且三種表面狀態(tài)接頭的拉伸性能具體結(jié)果見表2，從表2中可以看出，焊前表面狀態(tài)為粗銑和磨制的接頭拉伸性能相當(dāng)，而焊前為線切割表面的接頭拉伸強(qiáng)度略低，能達(dá)到磨制表面接頭強(qiáng)度的98%。三種接頭的斷后伸長率和斷面收縮率基本相當(dāng)。測試結(jié)果表明，焊前零件的狀態(tài)對接頭拉伸性能影響較小。

表2 接頭性能

2.4.2接頭疲勞性能測試及分析

Kt=1，R=0.06，550 MPa三種表面狀態(tài)焊接的接頭的疲勞強(qiáng)度見表3，從表中可以看出三種狀態(tài)接頭的疲勞壽命相當(dāng)。

表3 三種接頭疲勞壽命測試

3 結(jié)論

(1)在TC4優(yōu)化的線性摩擦焊工藝參數(shù)條件下，三種焊前狀態(tài)試件的線性摩擦焊接頭成形良好、無缺陷。

(2)接頭的組織明顯分為母材區(qū)、熱力影響區(qū)、焊合區(qū)，其中熱力影響區(qū)組織沿著受力方向被拉長，焊合區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。

(3)接頭的拉伸性能測試表明：三種焊前狀態(tài)線性摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度水平相當(dāng)，都達(dá)到1 000 MPa以上；三種狀態(tài)接頭疲勞壽命相當(dāng)。

(4)對三種狀態(tài)接頭界面處進(jìn)行O元素分析表明，粗銑以及線切割接頭焊接界面處沒有明顯增加。