張賢昆 石磊 武傳松 李勝利

（材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東大學(xué)，濟(jì)南 250061）

1 引言

隨著航空航天、汽車制造等領(lǐng)域?qū)档屯浦乇?、減輕構(gòu)件質(zhì)量以及提升節(jié)能效果等的要求不斷增加，鋁合金和鈦合金應(yīng)用范圍也越來越廣泛[1]。因此鋁/鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接問題逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。然而，由于鋁合金和鈦合金之間存在著巨大的熱物性差異，例如熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率相差巨大，鋁和鈦晶格參數(shù)、晶格類型差異巨大導(dǎo)致冶金不相容[2]。采用傳統(tǒng)熔焊對(duì)鋁/鈦異種金屬進(jìn)行連接時(shí)，容易產(chǎn)生孔洞、熱裂紋、變形等問題。而攪拌摩擦焊作為一種固相連接方法，能夠減少甚至避免傳統(tǒng)熔焊帶來的上述問題，為鋁/鈦異種金屬的連接提供了新途徑[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量鋁/鈦異種金屬的攪拌摩擦焊接研究，取得了顯著成果。Dressler 等人[4]實(shí)現(xiàn)了2mm 厚AA2024鋁合金和TC4 鈦合金的高質(zhì)量連接，分析發(fā)現(xiàn)鋁/鈦界面附近形成的渦狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了牢固的微觀機(jī)械連接，同時(shí)鋁/鈦界面形成了較薄的金屬間化合物層，最終接頭強(qiáng)度達(dá)到348MPa。Li 等人[5，6]采用雙面攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了8mm 中厚板鋁/鈦異種金屬的高質(zhì)量焊接。研究證明，雙面攪拌摩擦焊接工藝能夠消除鋁/鈦異種金屬常規(guī)攪拌摩擦焊接時(shí)在焊縫根部產(chǎn)生的弱連接缺陷[7]。但是，雙面攪拌摩擦焊會(huì)降低焊接生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。

超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊（Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding,UVeFSW）通過超聲工具頭直接將超聲能量施加于攪拌頭正前方[8]，能夠高效利用超聲能量，設(shè)備柔性高，可達(dá)性好。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)采用UVeFSW 新工藝實(shí)現(xiàn)了鋁/鎂[9～13]、鋁/銅[14]、鋁/鋼[15]等異種金屬，以及鋁合金[16，17]同種金屬的高質(zhì)量焊接。大量研究發(fā)現(xiàn)，在攪拌摩擦焊接過程中施加超聲振動(dòng)能夠降低焊接載荷，減少攪拌頭的磨損[18]。同時(shí)，在異種金屬焊接時(shí)，能夠提高焊縫表面成形質(zhì)量，并減少攪拌頭的黏著現(xiàn)象[14]。此外，超聲振動(dòng)還能夠拓寬工藝窗口，促進(jìn)焊核區(qū)的材料流動(dòng)，并抑制異種金屬之間金屬間化合物的生成[9，19]。沈陽航空航天大學(xué)馬鐘瑋開展了超聲振動(dòng)輔助鋁/鈦攪拌摩擦焊對(duì)接工藝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施加超聲能夠促進(jìn)焊核區(qū)中的材料流動(dòng)并細(xì)化接頭晶粒組織[20]。但其將超聲工具頭固定于墊板下方，會(huì)影響超聲的施加效果。

本文以4mm 厚度的AA2024-T4 鋁合金和TC4 鈦合金為研究對(duì)象，基于自主設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接設(shè)備，開展了鋁/鈦異種金屬的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦接工藝試驗(yàn)，對(duì)焊縫表面成形、鋁/鈦界面微觀結(jié)構(gòu)和接頭力學(xué)性能進(jìn)行了表征和分析。

2 超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接設(shè)備

研究采用的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊設(shè)備由自主設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)輔助裝置和FSW-3LM-3012 攪拌摩擦焊機(jī)組成，設(shè)備如圖1所示。超聲振動(dòng)輔助裝置主要包括超聲波發(fā)生器、超聲振動(dòng)工具頭。超聲振動(dòng)工具頭通過螺栓直接與攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)頭連接，直接作用于攪拌頭正前方工件上表面。超聲工具頭與攪拌針中心線距離為20mm，與水平面夾角為40°，超聲頻率為20kHz，工具頭空載振幅為40μm，超聲功率為250W。

圖1 超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接設(shè)備

3 鋁/鈦異種金屬超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊對(duì)接試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以4mm 厚AA2024-T4 鋁合金和TC4 鈦合金為母材，板材長150mm，寬50mm。鋁/鈦異種金屬超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接工藝如圖2a所示。焊接時(shí)，TC4 合金置于前進(jìn)側(cè)（AS），AA2024 置于后退側(cè)（RS）。攪拌頭由鎢錸合金制成，軸肩直徑12mm，針長3.7mm，攪拌針根部直徑6mm，端部直徑5mm，攪拌針帶有螺紋，具體尺寸可見圖2b。焊接時(shí)，攪拌頭偏向鋁合金2.2mm，如圖2c。焊后，每個(gè)工藝參數(shù)條件下切取3個(gè)拉伸樣和1 個(gè)金相樣。使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測試，拉伸速度為1mm/min。金相樣在使用砂紙打磨后進(jìn)行拋光，拋光結(jié)束后在TM4000plus 桌面式掃描電鏡上對(duì)鋁/鈦對(duì)接面進(jìn)行表征。使用Keller 試劑對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫橫截面。

圖2 鋁/鈦超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接工藝細(xì)節(jié)

4 結(jié)果與分析

4.1 接頭表面成形

圖3對(duì)比了不同工藝條件下的焊縫表面成形情況?？梢钥闯?，焊速較低時(shí)，無論是否施加超聲，焊縫表面均較為光滑，成形較好。當(dāng)焊接速度增加至75mm/min 時(shí)，常規(guī)攪拌摩擦焊縫表面較為粗糙，而UVeFSW 焊縫光滑、無毛刺。此外，施加超聲后，鋁/鈦兩種金屬的界限變得不明顯。這是因?yàn)槌暤能浕饔?，使得鋁合金更易流動(dòng)，促進(jìn)了鈦與鋁之間的混合，因此兩者的界限變得不明顯。

圖3 不同工藝條件下鋁/鈦異種金屬焊縫表面形貌

4.2 接頭橫截面宏觀形貌

圖 4 展示了攪拌頭轉(zhuǎn)速 400r/min，焊接速度45mm/min 條件下，F(xiàn)SW 和UVeFSW 接頭橫截面宏觀金相。可以看到，在該參數(shù)下，焊縫成形良好，無孔洞、隧道等宏觀缺陷。由于攪拌頭偏向鋁合金，因此材料流動(dòng)主要位于鋁合金一側(cè)。此外，因?yàn)閿嚢栳橀L度小于板厚，在焊縫根部均出現(xiàn)了根部弱結(jié)合缺陷。這主要是因?yàn)閿嚢栳樃慨a(chǎn)熱不足，加上鈦合金熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此焊縫根部溫度較低，材料流動(dòng)不充分，難以保證實(shí)現(xiàn)有效的冶金結(jié)合。施加超聲后，在一定程度上促進(jìn)了焊縫根部的材料流動(dòng)，根部弱結(jié)合缺陷的高度由0.47mm 減小至0.32mm。與此同時(shí)，能夠看到UVeFSW 焊縫根部鈦鋁微觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的插入深度更深，這有利于提升接頭抗拉強(qiáng)度。

圖5 展示了不同工藝條件下焊縫橫截面中間位置熱機(jī)影響區(qū)邊界至鋁/鈦對(duì)界面的寬度。隨著焊接速度的增加，該寬度不斷減小。這是因?yàn)殡S著焊速增大，焊接熱輸入減小，材料流動(dòng)區(qū)域減少。但是，在施加超聲后，能夠看到該寬度得到了一定程度提升。證明施加超聲能夠促進(jìn)金屬軟化，提高焊核區(qū)塑性材料的流動(dòng)能力[18]。

圖5 焊縫中間位置熱機(jī)影響區(qū)邊界至鋁/鈦對(duì)接界面處的寬度隨焊接速度的變化曲線

4.3 接頭界面微觀結(jié)構(gòu)

圖 6 展示了攪拌頭轉(zhuǎn)速 400r/min，焊接速度45mm/min 條件下，CFSW 接頭宏觀和微觀掃描電鏡圖片以及能譜線掃描結(jié)果。能夠看到，在焊縫的上、中、下部均能看到微米級(jí)的金屬間化合物。焊縫頂部的金屬間化合物呈現(xiàn)出破碎狀，該位置受到軸肩的影響，溫度更高，更容易發(fā)生材料流動(dòng)，產(chǎn)生更大的塑性變形，如圖6b所示。在焊縫中部和下部能夠看到層狀的金屬間化合物，該位置主要受到攪拌針的影響，因此塑性應(yīng)變相對(duì)于焊縫頂部更小。該層狀金屬間化合物的形成，與鋁/鈦之間的互擴(kuò)散密切相關(guān)。從圖6e 的能譜線掃描結(jié)果可以看出，該位置出現(xiàn)了約為5μm 厚的金屬間化合物層。

圖 7 展示了攪拌頭轉(zhuǎn)速 400r/min，焊接速度45mm/min 條件下，UVeFSW 接頭宏觀和微觀掃描電鏡圖片以及能譜線掃描結(jié)果。能夠看到，僅有焊縫頂部出現(xiàn)了連續(xù)的微米級(jí)金屬間化合物，如圖7b所示。從圖7e 能譜結(jié)果可以看出，該金屬間化合物的厚度約為2μm。而焊縫中部和下部，并未發(fā)現(xiàn)明顯的微米級(jí)金屬間化合物，如圖7c、圖7d所示。

圖7 UVeFSW 接頭微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)比圖6 和圖7 可以發(fā)現(xiàn)，施加超聲能夠抑制鋁/鈦界面金屬間化合物的生長。在CFSW 焊縫的中下部仍然形成了較厚的金屬間化合物層，而在UVeFSW 焊縫中部和底部，鋁/鈦之間形成了擴(kuò)散型界面，這能夠有效減少脆硬的金屬間化合物帶來的應(yīng)力集中問題，從而提升接頭的力學(xué)性能。

4.4 接頭力學(xué)性能

圖8 展示了接頭力學(xué)性能隨著焊速變化圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著焊速的增加，常規(guī)攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能先上升后下降，在焊接速度為45mm/min 時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到288.7MPa。在相同的工藝條件下，施加超聲后的UVeFSW 接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到343.3MPa，相比CFSW 接頭提升了 18.9%，達(dá)到AA2024-T4 鋁母材強(qiáng)度的76.2%。證明在鋁/鈦異種金屬攪拌摩擦焊接過程中施加超聲振動(dòng)能量可以有效提升接頭力學(xué)性能。這主要是因?yàn)槭┘映暯档土撕缚p根部弱結(jié)合缺陷的長度，增強(qiáng)了鋁/鈦之間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，同時(shí)，施加超聲有效抑制了鋁/鈦界面金屬間化合物的形成與生長，降低了界面附近的應(yīng)力集中，從而提高了接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖8 不同工藝條件下接頭的抗拉強(qiáng)度

5 結(jié)束語

a.施加超聲能夠提升焊核區(qū)塑性材料的流動(dòng)性，改善焊縫表面成形，減少焊縫根部弱結(jié)合缺陷的長度，促進(jìn)鋁/鈦之間形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，從而提高接頭的抗拉強(qiáng)度。

b.超聲能夠在一定程度上抑制鋁/鈦界面金屬間化合物的生成與增厚，使得鋁/鈦之間形成擴(kuò)散型界面，有效降低了鋁/鈦界面附近的應(yīng)力集中，有利于提升接頭性能。

c.研究發(fā)現(xiàn)，4mm 厚的AA2024-T4 鋁合金與TC4鈦合金常規(guī)攪拌摩擦焊接頭的最高抗拉強(qiáng)度為288.7MPa，而超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接頭的最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到343.3MPa，相比常規(guī)攪拌摩擦焊接頭提升18.9%，達(dá)到AA2024-T4 鋁母材抗拉強(qiáng)度的76.2%。超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接新工藝能夠提高鋁/鈦異種金屬的焊接質(zhì)量。